Что такое ступени у ракеты
Многоступенчатая ракета
Многоступе́нчатая раке́та — летательный аппарат, состоящий из двух или более механически соединённых ракет, называемых ступенями, разделяющихся в полёте. Многоступенчатая ракета позволяет достигнуть скорости большей, чем каждая из её ступеней в отдельности.
Содержание
История
Один из первых рисунков с изображением ракет был опубликован в труде военного инженера и генерала от артиллерии Казимира Семеновича, уроженца Витебского воеводства Речи Посполитой, «Artis Magnae Artilleriae pars prima» (лат. «Великое искусство артиллерии часть первая»), напечатанном в 1650 году в Амстердаме, Нидерланды. На нём — трехступенчатая ракета, в которой третья ступень вложена во вторую, а обе они вместе — в первую ступень. В головной части помещался состав для фейерверка. Ракеты были начинены твёрдым топливом — порохом. Это изобретение интересно тем, что оно более трёхсот лет назад предвосхитило направление, по которому пошла современная ракетная техника.
Впервые идея использования многоступенчатых ракет была выдвинута американским инженером Робертом Годдардом в 1914 году, и был получен патент на изобретение. В 1929 г. К.Э. Циолковский выпустил в свет свою новую книгу под заглавием «Космические ракетные поезда». Этим термином К. Циолковский назвал составные ракеты или, вернее, агрегат ракет, делающих разбег по земле, потом в воздухе и, наконец, в космическом пространстве. Поезд, составленный, например, из 5 ракет, ведётся сначала первой — головной ракетой; по использовании её горючего, она отцепляется и сбрасывается на землю. Далее, таким же образом, начинает работать вторая, затем третья, четвёртая и, наконец, пятая, скорость которой будет к тому времени достаточно велика, чтобы унестись в межпланетное пространство. Последовательность работы с головной ракеты вызвана стремлением заставить материалы ракет работать не на сжатие, а на растяжение, что позволит облегчить конструкцию. По Циолковскому, длина каждой ракеты — 30 метров. Диаметры — 3 метра. Газы из сопел вырываются косвенно к оси ракет, чтобы не давить на следующие ракеты. Длина разбега по земле — несколько сот километров.
Несмотря на то, что в технических деталях ракетостроение пошло во многом по другому пути (современные ракеты, например, не «разбегаются» по земле, а взлетают вертикально, и порядок работы ступеней современной ракеты — обратный, по отношению к тому, о котором говорил Циолковкий), сама идея многоступенчатой ракеты и сегодня остаётся актуальной.
В 1935 году Циолковский написал работу «Наибольшая скорость ракеты», в которой утверждал, что при уровне технологии того времени достичь первой космической скорости (на Земле) можно только с помощью многоступенчатой ракеты. Это утверждение сохраняет свою справедливость и сегодня: все современные носители космических аппаратов — многоступенчатые. Первым рукотворным объектом, пересекшим линию Кармана и вышедшим в космос, была одноступенчатая немецкая ракета Фау-2. Высота полётов достигала 188 км.
Принцип действия многоступенчатой ракеты
Ракета является весьма «затратным» транспортным средством. Ракеты-носители космических аппаратов «транспортируют», главным образом, топливо, необходимое для работы их двигателей, и собственную конструкцию, состоящую в основном из топливных контейнеров и двигательной установки. На долю полезной нагрузки приходится лишь малая часть (1,5-2,0%) стартовой массы ракеты.
Составная ракета позволяет более рационально использовать ресурсы за счёт того, что в полёте ступень, выработавшая своё топливо, отделяется, и остальное топливо ракеты не тратится на ускорение конструкции отработавшей ступени, ставшей ненужной для продолжения полёта. Пример расчёта, подтверждающего эти соображения, приводится в статье Формула Циолковского.
Конструктивно многоступенчатые ракеты выполняются c поперечным или продольным разделением ступеней.
При поперечном разделении ступени размещаются одна над другой и работают последовательно друг за другом, включаясь только после отделения предыдущей ступени. Такая схема даёт возможность создавать системы, в принципе, с любым количеством ступеней. Недостаток её заключается в том, что ресурсы последующих ступеней не могут быть использованы при работе предыдущей, являясь для неё пассивным грузом.
При продольном разделении первая ступень состоит из нескольких одинаковых ракет (на практике, от 2-х до 8-и), работающих одновременно и располагающихся вокруг корпуса второй ступени симметрично, чтобы равнодействующая сил тяги двигателей первой ступени была направлена по оси симметрии второй. Такая схема позволяет работать двигателю второй ступени одновременно с двигателями первой, увеличивая, таким образом, суммарную тягу, что особенно нужно во время работы первой ступени, когда масса ракеты максимальна. Но ракета с продольным разделением ступеней может быть только двухступенчатой. [1]
Существует и комбинированная схема разделения — продольно-поперечная, позволяющая совместить преимущества обеих схем, при которой первая ступень разделяется со второй продольно, а разделение всех последующих ступеней происходит поперечно. Пример такого подхода — отечественный носитель Союз.
Уникальную схему двухступенчатой ракеты с продольным разделением имеет космический корабль Спейс Шаттл, первая ступень которого состоит из двух боковых твёрдотопливных ускорителей, а на второй ступени часть топлива содержится в баках орбитера (собственно многоразового корабля), а большая часть — в отделяемом внешнем топливном баке. Сначала двигательная установка орбитера расходует топливо из внешнего бака, а когда оно будет исчерпано, внешний бак сбрасывается и двигатели продолжают работу на том топливе, которое содержится в баках орбитера. Такая схема позволяет максимально использовать двигательную установку орбитера, которая работает на всём протяжении вывода корабля на орбиту.
Увеличение числа ступеней даёт положительный эффект только до определённого предела. Чем больше ступеней — тем больше суммарная масса переходников, а также двигателей, работающих лишь на одном участке полёта, и, в какой-то момент, дальнейшее увеличение числа ступеней становится контрпродуктивным. В современной практике ракетостроения более четырёх ступеней, как правило, не делается.
При выборе числа ступеней важное значение имеют также вопросы надёжности. Пироболты и вспомогательные РДТТ — элементы одноразового действия, проверить функционирование которых до старта ракеты невозможно. Между тем, отказ только одного пироболта может привести к аварийному завершению полёта ракеты. Увеличение числа одноразовых элементов, не подлежащих проверке функционирования, снижает надёжность всей ракеты в целом. Это также заставляет конструкторов воздерживаться от слишком большого количества ступеней.
Поболтаем немного о конструкции ракет космического назначения.
Будучи немного огорченным из-за брошенного камня в мой огород на тему «ступени ракеты-носителя» в посту http://pikabu.ru/story/otdelenie_bokovyikh_blokov_raketyinositelya_4358814#comment_69629676 заливаю сей пост.
Исключительно в познавательных целях.
Для начала: ракета-носитель (далее РН) являет собой многоступенчатый (состоит из нескольких частей) аппарат (ракету), который своим существованием обязан выводить полезную нагрузку в космическое пространство.
Почему «многоступенчатая» ракета-носитель? Просто потому, что одноступенчатой ракеты-носителя, способной доставить полезную нагрузку на орбиту пока не изобрели.
Имеются проекты одноступенчатых РН на стадии разработки, но в эксплуатацию проекты по запуску одноступенчатых ракет так и не поступили (пока что) по причине их крайне малой эффективности.
Идея применять многоступенчатые ракеты появилась довольно давно. В 1650 году была опубликована книга польского артиллериста Казимира Сименовича «Первая книга великого искусства артиллерии».
Изобретение такой ракеты повлияло на дальнейшие развитие ракетостроения.
Позже в 1929 году Циолковский выпустит книгу под названием «Космические ракетные поезда», в которой рассуждал на темы применения многоступенчатых ракет в целях освоения космоса.
Логика применения многоступенчатых ракет очевидна и мысли Константина Эдуардовича были правильными.
Современные ракеты-носители работают именно по этому принципу с той разницей, что естественно по земле они, как поезд не разгоняются, а стартуют вертикально с стартового комплекса.
Первая ступень поднимает до определенной высоты и разгонят всю РН, по мере расхода топлива масса первой ступени снижается и после выгорания всего топлива происходит отделение первой ступени. Далее включаются двигатели второй ступени, и она дополнительно сообщает нужное ускорение уже разогнанной РН для вывода третей ступени на необходимую высоту и сообщения ей необходимой скорости, аналогично первой ступени, вторая так же отделяется от РН после расхода топлива. Третья ступень уже разгоняет космический аппарат и выводит его на орбиту. Это упрощенная схема вывода КА (космического аппарата) на орбиту. В ряде случае к КА дополнительно сочленяется разгонный модуль, который сообщит КА дополнительное ускорение при выводе на более высокую орбиту.
По принципу сочленения ступеней ракеты-носители разделяют на тандемные и пакетные.
Тандемное сочленение – это последовательное соединение ступеней. Запуск двигателей ступеней происходит поочередно. В качестве одного из примеров выступает РН «SATURN-V», которая осуществляла «доставку» астронавтов модуля «Аполлон» на Луну.
Каждая ступень представляет собой отдельный блок – ракету. Запуск двигателей последующей ступени происходит только после отделения отработанной предшествующей ступени.
Всего ступени – 3. Не 4, ни 5, как часто думают многие, а именно 3 ступени и космический аппарат (КА) – «Аполлон».
Первая ступень (S-IC) имела 5 двигателей F1 компании Rocketdyne. Сама ступень производилась компанией «Боинг» на заводе Michoud Assembly Facility в Новом Орлеане в штате Луизиана. Прогон в аэродинамической трубе проходил в Сиэтле. Ступень была создана конструкторами из Космического центра Маршала, ведущего центра НАСА.
Вторая ступень (S-II) производилась компанией North American Aviation. В движение ступень приводилась пятью двигателям J-2 от компании Rocketdyne на жидком водороде и кислороде. Сборка производилась в Сил-Бич в штате Калифорния.
Третья ступень (S-IVB) производилась компанией Douglas Aircraft в Хантингтон-Бич в Калифорнии. Как и на второй, здесь стоял двигатель J-2, но один. Он работал на тех же водороде и кислороде. Третья ступень умещалась в самолёт Pregnant Guppy, а две другие приходилось доставлять на мыс Канаверал по воде
Полётом трёх ступеней управлял инструментальный модуль конструкции Космического центра Маршала и сборки IBM. Конструкторы решили разделить системы навигации корабля и ракеты по ряду причин. В их числе была надёжность. Решение спасло жизни: во время полёта «Аполлона-12» в ракету ударила молния. Компьютер «Аполлона» отключился, а «Сатурна-5» — нет.
Космический аппарат «Аполлон» (Apollo)
Сам же КА состоит из 3х основных частей:
Командный модуль с системой аварийного спасения – возвращаемая капсула. Именно в ней находится экипаж весь полет, за исключением спуска на Луну и в нем возвращается на Землю.
Сервисный модуль – по своей сути это разгонный модуль, несет в себе двигатели, топливо, системы жизнеобеспечения. Осуществляет транспортировку КА до Луны и обратно. После отделения командного модуля сгорает в атмосфере.
Лунный модуль – аппарат, спускаемый на поверхность Луны. При том сам лунный модуль состоит из двух ступеней. Посадочная/стартовая ступень – осуществляет спуск второй (взлетной) ступени на поверхность и возвращение ее на орбиту, где взлетная ступень стыкуется с сервисным модулем.
Продолжение поста размещаю в комментариях в течении 5 минут из-за лимита на картинки.
Вторую неделю играю в Kerbal Space Program. Отличный конструктор ракет. Всем советую кому интересно 🙂
1) почему не 1 ступень, ведь это дешевле
б) двигатели для работы около поверхности земли, высоко в небе и в космосе отличаются по своим характеристикам (каждый работает эффективнее в своей «среде»)
б2) сейчас тестируют клиновоздушные ракетные двигатели, которые позволяют не терять эффективности на большом диапазоне высот
2) почему тогда не использовать 100 ступеней, это же эффективнее
тут все упирается в надежность (ну и стоимость конечно)
а) большое количество узлов и агрегатов повышает вероятность выхода хотя бы одного из них из строя и тем самым уничтожения ракеты-носителя
б) большое количество двигателей будет слишком много стоить
Рейтинг не позволил добавить пост ранее, чем через 7 часов. Завтра обязательно добавлю продолжение. Рассмотрим строение РН серии «Союз» и немного поболтаем об выводимых ими КА))) Извините, что не могу сразу залить пост.
«Ангара А5» стартовала. Полет пока успешный
Все предстартовые операции и старт ракеты космического назначения «Ангара-А5» прошли в штатном режиме. Наземные средства Космических войск ВКС осуществляли контроль проведения пуска и полета ракеты-носителя. Сообщается, что это третий испытательный пуск ракеты-носителя тяжелого класса «Ангара-А5». Предыдущий пуск РН «Ангара-А5» с северного космодрома был успешно проведен 14 декабря 2020 года.
Материал подготовили: Ян Брацкий и Николай Баранов. ■
Видео второго тестового запуска в 2020 году.
А это инфографика от меня к запускам.
Starship выиграл контракт на запуски: об этом заявил вице-президент SpaceX
Как передаёт сообщество ВК «Илон Маск / Elon Musk (Tesla, SpaceX, Neuralink)»: «Вице-президент SpaceX заявляет: Starship уже выиграл контракты на коммерческие запуски».
Ред.: Статья с интересными размышлениями о потенциале Starship с цифрами и сравнениями 😉
Недавно было сказано, что для полностью многоразовой ракеты следующего поколения – Starship, уже заключено несколько контрактов на пуски.
Планируется, что первый частично орбитальный полёт (ниже границы атмосферы) состоится не ранее чем в первом квартале 2022 года. Прежде чем Starship будет готов к регулярным орбитальным пускам, ему необходимо пройти ещё несколько этапов. Тем не менее, SpaceX достаточно уверена в успехе своей разработки. Starship планируется как рабочая лошадка для будущих целей компании – в краткосрочной и долгосрочной перспективе.
Сегодня ракеты семейства Falcon от SpaceX являются довольно революционными решениями в плане экономической эффективности, благодаря повторному использованию и вертикальной интеграции производства. Также с помощью должной организации, SpaceX имеет возможность развёртывания своей группировки спутников Starlink, насчитывающей к настоящему времени уже более 1800 спутников на низкой околоземной орбите, что позволило компании стать крупнейшим спутниковым интернет-провайдером менее чем за два с половиной года. Там, где есть конкуренция, Falcon 9 доминирует на мировом рынке коммерческих запусков, однако, несмотря на ошеломляющий успех, Falcon 9 всё ещё остаётся на одну-две величины чрезмерно дорогой для реализации более грандиозных амбиций компании.
— Сотрудник SpaceX Том Охинеро: планируем по меньшей мере 3 пилотируемых миссии в следующем году, возможно больше. Первая попытка орбитального пуска Starship всё также планируется на январь-февраль.
Охинеро: мы активно продвигаем Starship среди коммерческих клиентов и уже подписали некоторые контракты.
Все эти цели вполне простые и связаны напрямую. Во-первых, SpaceX имеет цель покрыть поверхность Земли высококачественным и доступным интернетом, который будет либо такой же, как и его земные альтернативы, либо даже лучше. В конченом счёте будут подключены десятки или даже сотни миллионов пользователей. Во-вторых, целью SpaceX всегда было сделать человечество межпланетным видом, посредством создания одного или нескольких самодостаточных городов на Марсе. Для последней цели необходим Starship, либо полностью многоразовая ракета – без этого поставка припасов и материалов для строительства города были бы слишком дорогими.
Недавно, если верить генеральному директору SpaceX, успех Starlink стал зависеть и от Starship, также Маск заявил, что SpaceX может столкнуться с банкротством, если Starship не будет готов запускать более 200 спутников каждый месяц к концу 2022 года. Однако, несмотря на то, что вероятное банкротство SpaceX – неправда, в словах Илона есть доля правды. Кроме опасений, аргумент Маска содержит идею «финансовой слабости» Starlink в рамках текущей парадигмы, когда Falcon 9 доставляет на НОО около 50 300-килограммовых спутников (650 фунтов каждый) за один запуск.
Маск также полагает, что спутники следующего поколения Starlink V2 будут в несколько раз больше, чем спутники первой версии, а это в достаточной степени повысит рентабельность группировки, путём получения большей пропускной способности с единицы массы спутника. Однако размеры Starlink V2 не позволят помещать большое количество спутников под обтекатель Falcon 9, откуда следует острая и очевидная потребность в Starship.
Вопреки апокалиптическим взглядам Маска, даже если развёртывание будет значительно более медленным, то, скорее всего, создание полноценной группировки из Starlink V1, спутники для которой запущены на Falcon 9, будет экономически жизнеспособными.
Согласно словам Маска и других руководителей компании, реальная стоимость – без учёта полезной нагрузки – проверенного полётами Falcon 9, находится между 15 и 28 миллионами долларов. При ориентировочной стоимости от 250 до 500 тысяч долларов за штуку, Starlink V1 увеличивают общую стоимость запуска спутников примерно до 30-60 миллионов долларов (диапазон между предельной и общей стоимостью). В частично многоразовой конфигурации Falcon 9 способен выводить около 16 тонн (35 000 фунтов) на НОО.
Стремление к «сумасшедшей» предельной стоимости запуска за 2 миллиона долларов (Надеюсь, я правильно расслышал – очень малая цифра).
Starship, однако, рассчитан на запуск полезной нагрузки, начиная от 100 тонн (220 000 фунтов) и, возможно, до 150 тонн (330 000 фунтов) на НОО при предельной стоимости всего лишь 2 миллиона долларов. Даже если SpaceX достаточно отклонится от этой цели и никогда не выйдет за пределы 100 тонн на НОО, Starship стоимостью 20 миллионов долларов, полностью загруженный спутниками Starlink, всё равно будет стоить в 5 раз меньше, чем Falcon 9 за единицу запущенной массы. 150-тонный вариант на НОО будет стоить в 15 раз меньше. Если SpaceX удастся достигнуть полной многоразовости, и предельная стоимость упадёт до 2 миллионов долларов, то запуск Starship будет дешевле запуска Falcon 9 в фантастические 70 раз!
По тем же причинам, что могут сильно повысить рентабельность развёртывания спутников Starlink и сделать экспансию человечества за пределы Земли весьма доступной, чтобы быть жизнеспособной, Starship устроит революцию в области доступа к космическому пространству и для других клиентов, а не только для SpaceX.
Крылатый Динозавр, опередивший время
Навеяло интересными рассказами в сообществе о проекте «Спираль» 🙂
Интересно, что первый (если не брать наработки по Silbevogel) советский ракетоплан продумал Павел Цыбин, долгое время занимавшийся вместе со своим ОКБ-256 разработкой различных планеров, в том числе гиперзвуковых. Так, в 1959 году он предложил Королёву эскизный проект разведывательного ракетоплана стартовой массой 3500 кг.
Silbervogel, предложенный аж в 30х годах, проект австрийского учёного доктора Ойгена Зенгера, планировался как самолет длиной 28 метров, с размахом крыльев 15 метров.
Разгоняться он должен был по железнодорожному пути протяженностью 3 км с помощью салазок с ракетным двигателем.
Дас ис фантастишь. зер гуд.
Правда после войны мат.анализ выяснил, что «дас ис фантастишь» не получилось бы, а получился бы форменный капут при повторном входе в атмосферу, ибо тепловым ударом спалило бы птычку сходу.
Т.е. немцы, если бы его достроили, и стали бы испытывать, мигом нарвались бы на» аллес капут» и «птычку жалко», и им нужно было бы наращивать теплозащиту на пузо, а затем пришлось бы отказаться от бомбы в 4 тонны или делать бомбочку заметно легче, из за приличного увеличения веса космоплана.
Ибо с термозащитой, как потом через много лет, выяснилось практически, шутить очень не стоит, и шаттл «Колумбия», лишившийся лишь малой части плиток термозащиты, при возврате домой погиб в атмосфере, погубив экипаж в 7 человек.
Заставив своей гибелью будущие шаттлы делать кувырок перед МКС, показывая пузико, чтобы космонавты и астронавты с МКС оценили состояние его термозащитных плиток.
По слухам, муссировавшим в околоракетных кругах, товарищ Сталин, знавший от разведки о Silbervogel, и о найденных реактивных военных германских самолетах, был горячим его поклонником, и даже планировал после войны выкрасть Ойгена Зенгера из Франции, где тот обосновался, но не сошлись звезды.
«Серебряная птичка» так и не полетела, но идея то была жива и горячо обсуждалась в ракетных кругах. И медленно вызревала, приобретая новые формы и впитывая новые мысли, наработки и задумки.
Ну а проект Bomi предлагал уже вменяемую схему запуска, где космоплан выводился бы в космос ракетой носителем. Да и сам космоплан становился другим, и разумеется хорошо так термозащищенным.
Интерес к Bomi был настолько велик, что к 1956 году он превратился в три отдельные программы:
RoBo, космический бомбардировщик, обновленная версия Bomi.
Brass Bell, дальний разведывательный космоплан.
Hywards, (система поддержки исследований и разработок гиперзвукового оружия), система-прототип для разработки технологий, необходимых для RoBo и Brass Bell.
В октябре 1957 года ARDC (USAF Air Research and Development Command) объединила все три проекта в проект Dyna-Soar. Получивший индекс X-20.
X-20 Dyna-Soar (от Dynamic Soaring, в переводе с англ. — «Динамическое парение»; транслитерация — «Дайна-Со(а)р» [игра слов: произносится так же, как и англ. dinosaur — динозавр]) — американская программа создания пилотируемого космического перехватчика-разведчика-бомбардировщика X-20.
Разработка велась с 24 октября 1957 по 10 декабря 1963. Заказчик программы — ВВС США; разработчик — Boeing. Генеральный конструктор — вице-президент корпорации Bell Aircraft Вальтер Дорнбергер (за участие в этом проекте получил прозвище «отец динозавра»).
Первая система Dyna-Soar планировалась к развертыванию в 1968 году, а полностью готовая к работе система вооружения (Dyna-Soar III) должна была появиться к 1974 году.
В апреле 1960 года была сформирована группа пилотов для проекта Dyna-Soar:
Нил Армстронг (1930–2012; NASA) 1960–1962
Уильям Х. «Билл» Дана (1930–2014; NASA) 1960–1962
Генри С. Гордон (1925–1996; ВВС) 1960–1963
Пит Найт (1929–2004; ВВС) 1960–1963
Рассел Л. Роджерс (1928–1967; ВВС) 1960–1963
Милт Томпсон (1926–1993; NASA) 1960–1963
Джеймс У. Вуд (1924–1990; ВВС) 1960–1963
Разработчики проекта активно испытывали подсистемы X-20. Был закончен выбор ракеты носителя (им стала р-н Titan III), завершились летные испытания подсистемы инерционного наведения, для тестирования сброса и отработки систем посадки в атмосфере был выбран самолет (Boeing B-52C-40-BO Stratofortress 53-0399).
Однако правительство сомневалось, нужно ли США дублирование пилотируемых полетов в космос средствами ВВС (Dyna-Soar) и NASA (Mercury), поскольку параллельно в NASA полным ходом осуществлялась программа Mercury, и начинала разрабатываться перспективная программа Gemini.
Тем более, система получалась на тот момент слишком сложной, и разработчики обещали запуск Х-20 с человеком на борту хорошо позже обещаний NASA, создававшей Меркурий.
Потому, после серии успешных полетов астронавтов NASA по программе Меркурий, программа ВВС США Dyna-Soar Х-20 была сначала заморожена, а потом, в 1963 году и закрыта.
Ну а наследие этой программы было использовано в программе Спейс Шаттл. Но это уже другая история.
А не состоявшиеся пилоты проекта Динозавр.
Нил Армстронг стал первым человеком на Луне.
Уильям Х. «Билл» Дана был летчиком испытателем, летал на космоплане Х-15, M2-F1, HL-10, M2-F3, X-24B. Также участвовал в испытаниях аппаратов M2-F2 и X-24A. Последнее место службы Даны в NASA — Лётно-исследовательский центр имени Армстронга, где он был главным инженером. Он уволился в 1998 году после 40 лет безупречной службы в NASA.
Генри С. Гордон остался в ВВС США после отмены программы Dyna-Soar и ушел из ВВС в звании полковника.
Милт Томпсон совершил 14 полетов на Х-15, достиг высоты в 65 258 м. А потом был назначен директором исследовательских проектов (Director of Research Projects) Летно-исследовательского центра NASA им.Драйдена (NASA Dryden Flight Research Center) на базе ВВС Эдвардс (Edwards AFB) в Калифорнии. А затем и главным инженером центра Драйдена. Написал очень интересную книгу посвященной программе Х-15 «На краю космоса» («At the edge of space»). И много технических статей.
Ну а Джеймс У. Вуд остался в ВВС США и до 1978 года занимал должность командующего испытательными операциями на базе ВВС Эдвардс, ушел в отставку в звании полковника. Позже Вуд был летчиком-испытателем и операционным директором Tracor Flight Systems Inc. в Ньюпорт-Бич, Калифорния.
Ну а в 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Ойгена Зенгера, создателя проекта Silbervogel («Зильберфо́гель») кратеру на обратной стороне Луны.
Запуск JWST является только началом рискованного процесса развертывания телескопа. Space News
После запуска JWST требуется две недели на крупномасштабное развертывание солнцезащитного экрана и телескопа — процесс с множеством потенциальных отказов. Предоставлено: NASA GSFC / CIL / Адриана Манрике Гутьеррес
ВАШИНГТОН. Грядущий запуск космического телескопа «Джеймса Уэбба» волнует и восхищает астрономов, но этот запуск знаменует только начало самой рискованной части миссии.
NASA и другие партнеры миссии заявили 22 декабря, что они изменили график запуска на 25 декабря JWST на Ariane 5 из Французской Гвианы после того, как 21 декабря из-за погодных условий произошел однодневный перенос.
Старт запланирован на 7:20 и 7:52 утра по восточному времени 25 декабря. Если все пойдет по плану, JWST отделится от верхней ступени ракеты через 27 минут после старта.
Хотя запуск обычно является самой рискованной частью полета космического корабля, он бледнеет по сравнению с тем, что предстоит испытать JWST. В то время как космический аппарат стартует на ракете, которая находится в эксплуатации более двух десятилетий, с ее последним катастрофическим отказом при запуске в 2002 году, JWST должна будет завершить серию первых в своем роде сложнейших развертываний и маневров после отделения от верхней ступени ракеты.
Первое развертывание происходит через 33 минуты после старта, когда разворачиваются солнечные батареи. За этим последует первая коррекция в середине курса, названная MCC-1a, которая состоится через 12,5 часов после старта.
Эти два события являются наиболее чувствительными ко времени для космического корабля, сказал Грег Робинсон, директор программы JWST в штаб-квартире NASA, во время разговора с журналистами 21 декабря. «Все остальное относительно гибкое по срокам, но на этих операциях планируем конкретные сроки», — сказал он.
Номинальный предварительный график предусматривает начало развертывания солнцезащитного экрана через три дня после запуска. Два поддона по бокам космического аппарата будут опускаться вниз со сложенным в них элементами солнцезащитного экрана. Два дня спустя откроются крышки, закрывающие материал солнцезащитного экрана, а через день произойдет развертывание двух штанг для развертывания солнцезащитного экрана до его полных размеров. Пять слоев Kapton с алюминиевым покрытием для солнцезащитного экрана натягиваются до рабочего состояния в течение следующих двух дней, завершая развертывание солнцезащитного экрана через восемь дней после запуска.
Развертывание зеркала телескопа начинается через 10 дней после старта, когда штатив, удерживающий небольшое вторичное зеркало, выдвигается на рабочее место. Два крыла, каждое из которых удерживает три из 18 сегментов главного зеркала, затем фиксируются на месте, завершая развертывание телескопа через 13 дней после запуска.
Впереди месяцы работы по выравниванию зеркал телескопа и пуско-наладке инструментов по мере их охлаждения до рабочих температур — процесс, который завершится не раньше, чем через шесть месяцев после запуска. Маневр через 29 дней после запуска выведет JWST на свою последнюю гало-орбиту вокруг точки Лагранжа Земля-Солнце L-2, в 1,5 миллиона километров от Земли.
Однако эти первоначальные развертывания являются одними из самых важных и самых рискованных. На ноябрьском брифинге Майк Мензел, ведущий системный инженер JWST в Центре космических полетов имени Годдарда NASA, сказал, что в космическом корабле (по анализу конструкции) возможны 344 одноточечных мест отказа, 80% из которых связаны с механизмами развертывания. «Когда у вас есть такой механизм, трудно обеспечить его полную избыточность», — сказал он.
«Солнцезащитный экран, например, включает в себя 140 спусковых механизмов, 70 шарнирных узлов, восемь двигателей развертывания, около 400 шкивов и 90 тросов, общая длина которых составляет 400 метров», — сказала Кристал Пуга, системный инженер JWST в Northrop Grumman, во время того ноябрьского брифинга.
«Я думаю о развертывании солнцезащитного экрана аналогично машине Руба Голдберга, поскольку он использует серию реакций, которые работают последовательно, вызывая одно событие за другим, пока не будет полностью развернут весь солнцезащитный экран», — сказала она, но добавила, что уверена в правильности работы.
«В течение нескольких лет мы проводили тестирование нескольких развертываний как на малых, так и на полноразмерных моделях», — сказала она. «Это вселяет в нас уверенность в том, что Webb будет успешно развернут».
«То, на чем мы сосредоточились при развертывании, — это определенно солнцезащитный экран, — сказал Мензель. «Солнцезащитный экран — одна из тех вещей, которые по своей природе почти недетерминированы».
Если что-то пойдет не так во время процесса развертывания, существуют различные планы действий на случай непредвиденных обстоятельств, чтобы попытаться исправить проблему. Альфонсо Стюарт, руководитель систем развертывания JWST в Goddard, сказал, что простейшие исправления включают повторную отправку команд развертывания и проверку телеметрии на наличие ошибочных сигналов.
По его словам, более сложные шаги включают в себя «шимми», когда космический корабль раскачивают вперед и назад, или «вращение», чтобы вращать космический корабль на одной оси, чтобы высвободить застрявший элемент. Еще одна процедура, получившая название «огонь и лед», — переориентировать космический корабль, чтобы солнечный свет попадал в определенные области для нагрева компонентов. «Это конкретное мероприятие, это непредвиденное обстоятельство, вероятно, является последним шагом», — сказал он. «У нас довольно много альтернативных непредвиденных обстоятельств в системе».
Если проблема с развертыванием не может быть решена, это не обязательно означает конец миссии. «Не думаю, что я бы в день, если бы половина из них не развернулась, у нас не было бы проблем. Они, конечно, будут, — сказал Мензель о солнцезащитном козырьке. «Если бы его части развернулись не так, как мы хотели, это во многом зависело бы от того, где было рассогласование».
У телескопа есть «криогенные поля», которые могут устранить некоторые проблемы с развертыванием солнцезащитного козырька. «У нас могут быть неизвестные тепловые нагрузки, например, та, которая может возникнуть из-за соприкосновения слоев [солнцезащитного экрана]», — сказал он, особенно если этот контракт был локализован в одной области солнцезащитного экрана.
Билл Окс, менеджер проекта JWST в Goddard, сказал, что команды готовы к любому количеству потенциальных проблем во время развертывания. «Мы не говорим о том, что будем делать, если потерпим неудачу. Мы говорим о том, как мы исправляем проблемы, которые видим на орбите, и как двигаться дальше», — сказал он.
Хотя установка солнцезащитного козырька и телескопа — одни из самых рискованных этапов полета, он сказал, что не будет расслабляться после того, как они будут выполнены. «Как руководитель проекта, я не вздохну с облегчением, пока мы не объявим, что мы работаем через 180 дней после запуска».
Спираль. Мечта о крылатом космосе
Советский космос ассоциируется с именами Гагарина и Королёва, многие вспомнят названия «Восток», «Союз», а чуть более продвинутые – «Восход», «Прогресс», «Протон». Все эти корабли объединяются одной ключевой особенностью: они одноразовые. Но в СССР собирались строить и многоразовые корабли. Один даже построили, и в 1988 году он слетал в космос единожды (иронично!) – сегодня мы знаем его как «Буран». Но задел под него начали закладывать задолго (60-е!) до начала проектирования. Увы, эти наработки не были доведены до конца, но всё же, в отличие от своего наследника, они дошли до наших дней, пусть и в виде многочисленных прототипов, известных под общим именем «Спираль».
Крылья на орбиту. Что? Да!
Первыми крылатый многоразовый космический аппарат попытались разработать немцы. Silbevogel Ойгена Зенгера и сегодня интересен дерзостью идеи уж в 1940-х, попав в руки военных и учёных стран антигитлеровской коалиции, проект захватил их внимание. Конечно, специалисты довольно быстро осознали нереалистичность задумки, и что у нас, что за океаном она вскоре деградировала до сверхзвуковых межконтинентальных крылатых ракет. Те, проиграли конкуренцию своим баллистическим собратьям, более быстрым, надёжным, точным и многофункциональным.
На этом фоне привлекательность многоразового космоплана, особенно способного стартовать не с ракеты, а с самолёта-разгонщика, становилась слишком сильной. И работы закипели очень быстро, сначала в США (в частности, проекты BoMi и Dyna Soar), а затем и в СССР.
Интересно, что первый (если не брать наработки по Silbevogel) советский ракетоплан продумал Павел Цыбин, долгое время занимавшийся вместе со своим ОКБ-256 разработкой различных планеров, в том числе гиперзвуковых. Так, в 1959 году он предложил Королёву эскизный проект разведывательного ракетоплана стартовой массой 3500 кг. Конечно, «Лапоток» (так проект называли из-за его сходства по форме с лаптем) выводился на орбиту с помощью Р-7 в трёхступенчатом варианте, но здесь уже угадывались все те черты, которые лягут в основу будущих разработок. Итак, машина должна была выводиться на орбиту высотой в 300 км, осуществлять разведку в течение суток, а затем с помощью тормозных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) сходить с орбиты. После этого «Лапоток» осуществлял управляемые (это важно) спуск и торможение благодаря тому, что его корпус при угле атаки в 60 градусов обеспечивал небольшое (0,6) аэродинамическое качество (АК) на гипер- и сверхзвуковых скоростях. По достижении высоты 10 км и дозвуковой скорости аппарат раскладывал крылья, выравнивался и дальше садился, имея АК 4.5. В верхних слоях атмосферы «Лапоток» летел как бы брюхом вперёд, пряча сложенные крылья и нижнюю часть фюзеляжа в аэродинамической тени от защитного экрана, так как тогда ещё не существовало материалов, способных выдержать температуры порядка 6 тыс. градусов.
АК – это, по-простому, дальность, которую может пролететь планер, потеряв 1 км высоты. Таким образом, «Лапоток» Цыбина на этапе спуска с орбиты мог пролететь 600 метров, потеряв 1 км высоты, а на дозвуковом режиме, соответственно, 4,5 км. С углом атаки несколько сложнее. Если вкратце, без определения из справочника, то это угол между прямой линией, проходящей через крыло от его передней до задней кромки (то есть хордой крыла), и направлением встречного потока воздуха. На рисунке угол атаки обозначен греческой буквой альфа α. На самом деле всё несколько сложнее, но общая мысль такова.
Вслед свои крылатые космические аппараты прорабатывали Мясищев и Челомей, отдельные работы велись в ОКБ Туполева, а по воспоминаниям причастных заинтересованность проявлял даже знаменитый Роберто Бартини. Эти проекты весьма интересны и достойны отдельных заметок и статей, однако здесь ограничимся только упоминанием, показывающим, что дальнейшие разработки шли не на пустом месте.
Различные проекты крылатых космических аппаратов 50-х
Различные варианты ракетопланов ОКБ-23 Владимира Мясищева. Слева проект ракетоплана «изделие 46» с планирующим спуском. Справа схема установки пилотируемого многоразового воздушно-космического самолета «изделие 48-IV» на ракете-носителе «изделие 47» (собственная разработка ОКБ-23):
Суборбитальный пилотируемый ракетоплан «крылатой» схемы конструкции ОКБ-52 Владимира Челомея:
Пилотируемый ракетоплан Р-2 конструкции ОКБ-52 Владимира Челомея:
Ракетоплан Звезда (Изделие 136) ОКБ Туполева
Интерес авиаконструкторов к космосу, впрочем, был отчасти вынужденным. Дело в известных хрущёвских реформах в сфере авиации, в результате которых ряд авиационных (и не только) ОКБ и конструкторов был вынужден обратиться к незнакомой (хотя, конечно, привлекательной) космической тематике или же вовсе покинуть своё поприще. Такая судьба постигла Владимира Мясищева (перешёл в ЦАГИ после расформирования и передачи ОКБ Челомею, впрочем, позже вернулся в авиацию) и Василия Грабина (его артиллерийский ЦНИИ-58 был передан ОКБ-1 Королёва и перепрофилирован на космическую тематику), ОКБ Лавочкина и ряд других производств и конструкторских фирм. Чтобы не повторить такую судьбу, все пытались как-то заниматься космосом или ракетами. Не стало исключением и ОКБ-155 Артёма Микояна.
Перехватчик спутников ОКБ-155
Самолётчики-микояновцы, однако, сосредоточились сперва не на крылатой космической машине, а на противоспутниковом оружии. Ноябрь 1957 года убедил всех, что разведка из космоса – дело самого ближайшего будущего, а это значит, что необходимо бороться с врагом и в космосе. Первым проектом ОКБ-155 на этом поприще стал разработанный в 1959-1960 годах перехватчик спутников, который должен был запускаться ракетой Р-7 разработки ОКБ-1 Сергея Королёва по целеуказанию с Земли. Цели могли находиться на орбитах высотой от 300 до 1000 км. Достигнув изделие противника, противоспутник раскручивал свою центрифугу, запуская с неё, как с карусели, небольшие контактные заряды, которые облепляли цель и взрывали её. Проект, несмотря на сотрудничество Микояна с Королёвым и Григорием Кисунько (главным конструктором отечественной системы противоракетной обороны), проиграл челомеевской программе, основанной на ракете УР-200.
Решающее слово, впрочем, всегда было у военных, а они не дремали, ведя активные исследования на различные тематики. К 1965 году 30 Центральный научно-исследовательский институт Минобороны СССР (главная научная организация по авиационно-космическим программам у военных) провел ряд исследований, в ходе которых были сформулированы задачи, которые имевшимися и разрабатывавшимися на тот момент авиакосмическими системами решались или плохо, или никак. Это в частности:
— Разведка состояния ключевых мирных и военных объектов и местонахождения атакующих подразделений (в том числе стратегической авиации и морских ударных групп) потенциального противника в кратчайшие сроки, особенно в угрожаемый период и после начала войны;
— Уничтожение подвижных (например, морских авианосцев) и малоразмерных целей (их размер не должен превышать радиус максимально допустимого отклонения ракеты от цели), а также площадных целей (заводы и прочие большие объекты) в короткий срок;
— Инспекция и уничтожение спутников и других объектов в космосе;
— Безопасная, надёжная и регулярная доставка людей и грузов на орбиту и космические станции.
Для выполнения этих задач новый космический корабль должен был обладать рядом свойств. К ним относится и оперативный выход в космос, причём на различные орбиты, чтобы выполнять задачи над конкретными точками на поверхности Земли. Кроме того, подобный аппарат сможет иметь ограниченное количество посадочных площадок, оборудованных для быстрой подготовки системы к новому пуску, что важно в предвоенный период. А это, в свою очередь, означает, что он должен уметь маневрировать в атмосфере на этапе спуска с орбиты, чтобы попасть на заданную базу с любой орбиты без длительного маневрирования в космосе. Кроме того, всё это добро должно быть достаточно экономичным, чтобы можно было использовать новую систему регулярно.
К 1965 году специалисты 30 ЦНИИ пришли к выводу, что обладать вышеописанными свойствами и соответствовать требованиям сможет только такая система, которая совместит в себе все преимущества самолёта, космического корабля и ракетоплана. А если конкретно, то новая система должна состоять из многоразового самолёта-разгонщика, ракетного ускорителя и многоразового орбитального самолёта (ОС) или ракетоплана. При этом последний должен был иметь различные варианты для того, чтобы выполнять ударные, разведывательные и противоспутниковые задачи. 30 июля 1965 года эти выводы были переданы ОКБ-155.
Подписанный аванпроект по программе Спираль
В ОКБ-155 за работу принялись с огромным энтузиазмом. Микоян был занят на других проектах, к тому же сложность задач быстро нарастала, поэтому было принято решение выделить подколлектив, который и должен был ответить на вызов военных и создать принципиально новую космическую систему. Возглавил команду ведущий газодинамик ОКБ Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский. На тот момент он уже был известен своими работами по двигателям для истребителей МиГ-17, МиГ-19 и МиГ-21, принимал активное участие в работах над МиГ-25, а позже приложил руку к МиГ-29 и МиГ-31. Ему предстояло собрать команду молодых исполнителей у себя и на предприятиях-смежниках. Затея оказалась успешной, и уже через год, 29 июня 1966 года, был подготовлен аванпроект (то есть серия исследований, определяющих и обосновывающих примерный облик будущего изделия) системы «Спираль», также известной под индексом 50-50.
Глеб Евгеньевич Лозино-Лозинский
Первый элемент – гиперзвуковой самолёт-разгонщик (ГСР). На мой взгляд, это, пожалуй, самая сумасшедшая часть всего проекта, в которой, что называется, прекрасно всё. Огромный (длина – 38 метров, размах крыла – 16,5 метров, масса – 52 тонны) двухместный самолёт должен был нести на себе ОС с ракетным ускорителем. При этом задача ГСР состояла в выводе всей системы на высоту 28-30 километров, где на скорости 6 Махов происходила расстыковка. ОС с ракетным ускорителем устремлялся ввысь, а разгонщик садился на базу. Выполнение таких, мягко говоря, сверхоптимистичных требований даже по нынешним меркам (всё-таки разгон системы массой 115 тонн до шести скоростей звука на высоте 30 км – это не шутка) должны были обеспечить 4 двигателя на жидком водороде. Конечно, увидев такое, представители ОКБ Туполева (а именно им предстояло разработать сам ГСР) очень удивились и, по всей видимости, задвинули разработку в долгий ящик, вынудив микояновцев самих заниматься этим чудовищем.
Впрочем, им помогала ведущая советская организация по реактивным двигателям – ОКБ-165 Архипа Люльки. Его конструкторы очень заинтересовались потенциально прорывным направлением деятельности, ведь двигатель на водороде давал (в теории) великолепные характеристики по тяге, а проблемы с охлаждением позволяло решить само топливо, поскольку сжиженный водород обладает очень низкой температурой. Однако смелых двигателистов легко осадили в ЛИИ им. Громова, где показали, что на самом деле теоретические данные надо ещё подтвердить экспериментально, а с этим будут проблемы. Тем не менее постепенная работа над двигателем шла до начала 70-х, когда проект ГСР был закрыт. Сам ГСР же не ушёл дальше стадии продувочных моделей.
Красивые модельки ГСР
Комплект ГСР + ракетный ускоритель + ОС, вид спереди