omega_giperon (omega_hyperon) wrote,
omega_giperon
omega_hyperon

Category:

Российская многоразовая система первого этапа НК 12/2013

"Роскосмос" недавно занялся разработкой проектов многоразовых средств выведения на базе метановых двигателей.Однако будет не бесполезно вспомнить о том, что эта тема более десяти лет назад уже поднималась и работы в этом направлении велись в том числе и ГКНПЦ им. М.В.Хруничева. О чем и говориться в статье И.Афанасьева из №12 за 2013 «Новостей космонавтики» на стр. 34-36, которую и привожу ниже.


На аэрокосмическом салоне МАКС-2013 впервые были продемонстрированы не схемы и «настольные модели», а крупномасштабные макеты многоразовой ракетно-космической системы первого этапа (МРКС-1) разработки Центра имени Хруничева. Этот факт можно рассматривать как подтверждение выхода на новый уровень работ, ведущихся уже несколько лет.

Специалисты считают, что носители, включающие в себя многоразовые нижние и одноразовые верхние ступени, – оптимальный вариант реализации системы выведения полезных грузов, базирующейся на современных технологиях* (Во всяком случае, когда речь идет об отечественных ракетах среднего и тяжелого класса.). С одной стороны, существенная часть стоимости улетевшей ракеты приходится именно на нижнюю (первую) ступень. Как правило, она крупнее, тяжелее, сложнее и дороже в изготовлении, чем верхние ступени – и именно поэтому ее целесообразно спасать для повторного использования. С другой же стороны, в ряде случаев технически реализовать многоразовую первую ступень гораздо проще. Кроме того, при условии ее возвращения к месту старта появляется возможность создать по-настоящему всеазимутальную транспортную систему и радикально сократить поля падения отделяемых частей носителя.

С точки зрения экономики идеальная многоразовая транспортная система – одноступенчатый воздушно-космический самолет, эксплуатируемый с обычного аэродрома при высокой частоте миссий. Однако, помимо ограничений на взлетную массу, такой аппарат требует решения принципиальных проблем в области комбинированных двигательных установок, аэротермодинамики, материаловедения. В настоящее время создание такого аппарата представляется весьма сомнительным.

Двухступенчатые авиационно-космические системы либо многоразовые ракетные системы вертикального старта технически реализуемы, но требуют очень высоких затрат на разработку, не окупающихся при современной частоте запусков.

Разработка и реализация компромиссных частично-многоразовых систем обходится дешевле, что и делает их сегодня предпочтительным вариантом.


Несмотря на единицу в обозначении, МРКС-1 можно отнести к многоразовым системам второго поколения – к первому относились Space Shuttle и «Энергия-Буран». В этих проектах основной упор делался на многоразовую орбитальную ступень (ОС), сочетавшую в себе качества собственно ракетного блока и космического корабля. Цели данных программ предусматривали уменьшение стоимости выведения в космос за счет частого проведения запусков, возвращения из космоса значительного объема полезных грузов и сохранения дорогостоящих и сложных КА для многократного применения.

Однако первое поколение многоразовых систем оказалось не в состоянии решить свои задачи с достаточным уровнем эффективности. С учетом большой размерности всей системы, невысокой частоты пусков и сложности межполетного обслуживания ОС (особенно в части двигателей и теплозащиты) совокупные затраты на эксплуатацию быстро выросли, а удельная стоимость доступа в космос оказалась приблизительно в три раза выше по сравнению с одноразовыми ракетами. В то же время число полезных нагрузок, возвращаемых из космоса, оказалось незначительным. При «растягивании» программы Space Shuttle сказались ограничения по расчетному ресурсу ОС (не по общему числу полетов, а по времени эксплуатации), помноженные на опасения по поводу надежности и безопасности, – с учетом двух катастроф, которые останавливали полеты и грозили полным срывом не только пилотируемой программы, но и графика доставки в космос важных полезных грузов. Но и это не все: размывание первоначальных целей создания системы Space Shuttle и уменьшение «трафика» полетов на орбиту снизило и общую экономическую привлекательность многоразовых систем. В результате сегодня и космонавты, и грузы доставляются на низкую околоземную орбиту (НОО) с помощью одноразовых ракет.

С учетом вышесказанного, специалисты ГКНПЦ имени М. В. Хруничева приступили к разработке системы, лишенной указанных недостатков. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по обоснованию облика и технических характеристик МРКС-1 ведутся в Центре на протяжении ряда лет. Начинались они в инициативном порядке, а затем продолжились в рамках Федеральной космической программы (ФКП) на 2006 – 2015 годы совместно со смежными предприятиями.

Проект ГКНПЦ реализует концепцию частично многоразового носителя вертикального взлета: ускоритель первой ступени (возвращаемый ракетный блок – ВРБ) выполняется по самолетной схеме, ускорители верхних ступеней (блоки выведения – БВ) – одноразовые. Блоки компонуются по пакетной схеме. После выполнения своей задачи в процессе выведения ВРБ блок отделяется от ускорителя второй ступени и совершает автономный возвратный полет с посадкой на аэродроме посадочного комплекса. Возвращение к месту старта обеспечивается за счет пространственного аэродинамического маневра. На первом участке производится интенсивное торможение с одновременным разворотом вектора скорости к месту старта. Второй участок – самолетный полет по направлению к месту старта до горизонтальной посадки на взлетно-посадочную полосу (ВПП).

Как следует из опыта эксплуатации, основными составляющими стоимости миссии многоразового корабля Space Shuttle были затраты на межполетное обслуживание ОС и маршевых кислородно-водородных ЖРД. По данным Космического центра имени Кеннеди, опубликованным в 2009 году, на них приходилось порядка 1.4 млрд $ в год. Эти обстоятельства и предопределили принципы создания ВРБ:
• отсутствие внешней теплозащиты за счет незначительного локального теплового усиления конструкции, что, в свою очередь, определило траекторные перемещения на активном участке разделения ступеней (примерно при М=7…7.5 – для того, чтобы не выводить блок на большие тепловые нагрузки);
• требования к конструкции, агрегатам и системам закладываются в расчете на многоразовое их применение;
• используемые компоненты ракетного топлива должны минимизировать сроки и объемы межполетного обслуживания маршевых ЖРД;
• межполетная эксплуатация должна проводиться исходя из фактического состояния ВРБ.

Исследования начались с проекта крылатого ускорителя «Байкал», выполненного совместно с НПО «Молния» для использования в составе семейства модульных РН «Ангара». В результате сложилась кооперация ведущих отечественных предприятий, которая выполнила значительный объем расчетно-теоретических и экспериментальных работ. В том числе проведено более 100 продувок в аэродинамических трубах (АДТ) ЦАГИ, разработаны проектные материалы по основным элементам «Байкала» (двигатели, системы управления, приводы, облик наземного комплекса) и вопросы его эксплуатации. Технический образец многоразового ускорителя в 2001 году демонстрировался на международных аэрокосмических салонах Le Bourget и МАКС.

В настоящее время специалисты Центра Хруничева видят МРКС как многоцелевое средство выведения для решения задач доставки на НОО полезных грузов и КА различного назначения. Выбор наиболее рациональной схемы стал ключевым в комплексной задаче лабораторно-стендовых испытаний и летных экспериментов, а критерием выбора было обеспечение допустимых тепловых нагрузок и требуемых аэродинамических характеристик, как на этапе выведения, так и на этапах атмосферного спуска. Эти этапы и являются определяющими при выборе размерности, конструктивных решений и конструкционных материалов.

Учитывая принципиальное значение межполетного обслуживания для реализуемости МРКС-1 с заданными технико-экономическими характеристиками, специалисты приняли концепцию эксплуатации ВРБ по техническому состоянию. Такой подход к эксплуатации ракетно-космической техники является новым и требует отработки новых методов с последующим их испытанием на натурных изделиях. При этом главная задача – существенное снижение эксплуатационных расходов за счет использования системы контроля технического состояния и, в первую очередь, многоразовых ЖРД. Наличие такой системы также является новым методом для ракетно-космической техники.
Как указывалось выше, вся многоцелевая система компонуется всего из двух унифицированных элементов – многоразовых ВРБ первой ступени и одноразовых БВ верхних ступеней. При этом возможно сочетание различного числа блоков, а их типоразмеры выбраны исходя из заданного для ряда носителей диапазона масс груза, выводимого на орбиту, и из заданной конфигурации унифицированного стартового комплекса.


Макеты носителей семейства МРКС

С учетом требований по назначению МРКС-1 должна обеспечить выведение на опорную НОО полезных грузов массой от 25 до 60 т (см. таблицу 1), не требуя зон отчуждения для первой ступени по трассе выведения.

В 2008 году ГКНПЦ имени М. В. Хруничева в кооперации более чем с десятком смежных организаций разработал и успешно защитил аванпроект МРКС-1. В настоящее время ведется ОКР по этой теме. В рассматриваемой схеме изучаются два варианта ВРБ – с прямым и с трапециевидным крылом. Последний предполагает использование опыта, накопленного в рамках создания корабля «Буран».
Жесткие ограничения, накладываемые на параметры разделения первой и второй ступеней, позволяют использовать многоразовые ВРБ без теплозащитного покрытия, разгружать производственные мощности от загрузки разнотипной мелкосерийной продукцией, упростить технологические операции на техническом комплексе и транспортные операции за счет сокращения номенклатуры ракетных блоков.
Критически важным для успеха МРКС-1 техническим решением и технологией является создание многоразового ракетного двигателя требуемого уровня безопасности. В частности, система аварийной защиты двигателя должна обеспечивать своевременное гарантированное обнаружение опасных состояний и его отключение без вскрытия внешнего тракта. Работа по таким направлениям осуществляется в рамках НИР «Двигатель – 2015».

Для обеспечения экологической безопасности функционирования в составе МРКС-1 предусмотрено применение ЖРД на нетоксичных компонентах топлива.

Каждый ВРБ предполагается оснастить двигательной установкой многоразового использования (ресурс – не менее 25 пусков) в составе четырех единичных ЖРД «земной» тягой порядка 200 тс каждый, работающих на топливе «жидкий кислород – жидкий метан (сжиженный природный газ)», каждый БВ – единичным кислородно-водородным «земной» тягой 147.6 тс. Двигатели оснащены системой контроля технического состояния, приводами системы управления и системой аварийной защиты. При отказе одного из ЖРД первой ступени в полете производится отключение аварийного и форсирование тяги работающих двигателей до уровня 130 % от номинальной, что обеспечивает выполнение программы полета и выведение полезной нагрузки на заданную орбиту.

Что касается ВРБ, то наличие в нем как авиационных, так и ракетных компонентов требует определенных изменений в подходах проведения наземных и летных испытаний в сравнении с нормами, принятыми в отечественном ракетостроении. Так, при летной отработке ракеты перед началом эксплуатации выполняется несколько успешных пусков. При этом в силу одноразовой идеологии ракет в процессе эксплуатации каждый полет данной РН является испытательным. В авиации началу эксплуатации предшествует длительный и сложный процесс испытаний, но при эксплуатации самолета полеты становятся рутиной и перемежаются только регламентными и обслуживающими работами.
Разный подход к отработке изделий приводит к существенному различию в финансировании работ. Более дешевые этапы отработки ракет определяют их дорогую эксплуатацию, тогда как более длительный и дорогой процесс испытаний самолетов дает возможность их рентабельной многолетней эксплуатации. Так, доля технического обслуживания ремонтного фонда и ремонтно-эксплуатационных расходов современных среднемагистральных самолетов не превышает 20 – 25 %.

Аэродинамическая компоновка, сочетающая черты ракетных и авиационных систем, по-новому ставит вопрос отработки ВРБ и требует объединения ракетных и авиационных методов испытаний. В частности, практика разработки и создания транспортных систем Space Shuttle и «Энергия-Буран» показала эффективность экспериментальной отработки возвращаемых многоразовых ЛА при помощи наземных летных демонстраторов. Например, в рамках создания ОК «Буран» впервые в отечественной практике были решены вопросы определения аэродинамических характеристик, устойчивости, управляемости возвращаемого ЛА самолетной схемы на высотах от 100 км и при М ≤ 28 путем создания летающих моделей и летающих лабораторий. Летной отработке предшествовали большие объемы наземных экспериментов, в частности было проведено 78 тысяч продувок моделей в АДТ.

Важным вопросом создания ВРБ является обеспечение беспилотного возвратного полета от момента отделения от второй ступени до посадки на ВПП. Решение проблемы предусматривает знание аэродинамических характеристик ВРБ с высокой точностью на всех режимах его полета, то есть от скорости отделения (М = 7…7.5 на высотах около 60 км) до М = 0.2 на посадке.

В процессе реализации МРКС-1 специалисты ГКНПЦ имени М. В. Хруничева предлагают создать летно-экспериментальный комплекс – совокупность наземных и летных демонстраторов с функционально взаимосвязанными экспериментально-техническими средствами и сооружениями хранения, технического обслуживания, подготовки, пуска и контроля полета на участках выведения, спуска и посадки.
Наземные демонстраторы – это натурные масштабные полноразмерные сменные модели для аэродинамических продувок, экспериментальной отработки элементов и систем ВРБ, макеты для прочностных испытаний и испытаний подсистем ВРБ. Они предназначены для оценки и подтверждения проектно-расчетных и конструкторских решений, положенных в основу построения ВРБ, и частично решают задачи, традиционные для экспериментальной отработки ракетной техники.

Летные демонстраторы – летающие лаборатории, предназначенные как для отработки отдельных систем, так и МРКС в комплексе с целью подтверждения правильности принятых технических решений.


Этапы эксплуатации системы – от установки полезной нагрузки (1) до горизонтальной посадки ВРБ (5)

Наземные и летные демонстраторы должны обеспечить подобие внешних обводов, воспроизвести параметры траектории полета на каждом участке и уровень нагрузок, характерных для натурного объекта. Отработка ВРБ предусматривает выполнение основного объема испытаний в наземных условиях. При летных испытаниях проводится лишь та отработка, которая в наземных условиях невыполнима или экономически нецелесообразна.
При формировании технического облика МРКС проектанты рассмотрели множество многоразовых вариантов ускорителя, различающихся единичными параметрами, типами и объемом компонентов ракетного топлива, характеристиками маршевого ЖРД и другими параметрами. Комплексный анализ позволил существенно сократить число вариантов ВРБ и остановиться на двух – с поворотным прямым и с неподвижным трапециевидным крылом. С точки зрения надежности и отработанности (например, в составе «Бурана») предпочтительнее второй вариант. Однако первый вариант обеспечивает более высокое аэродинамическое качество при полете на малых скоростях и сниженную скорость и нагрузки при посадке. Кроме того, прямое крыло, сложенное «вдоль потока» при выведении и экранируемое корпусом ВРБ в зоне максимальных нагрузок при спуске, не подвергается аэродинамическому нагреву на гиперзвуке, тогда как фиксированное крыло, видимо, придется защищать на всем протяжении полета.

Проектантам предстоит решить, какой вариант ВРБ предпочтительнее. Напомним: в августе специалисты ЦАГИ завершили очередной этап испытаний модели МРКС-1 в дозвуковой АДТ Т-103. Программа исследований посадочных характеристик ВРБ включала в себя более 40 пусков и была направлена на изучение его аэродинамических характеристик, управляемости, устойчивости и визуализации обтекания.
Для выбора оптимального варианта компоновки ВРБ привлечены специалисты Летно-исследовательского института (ЛИИ) имени М. М. Громова, которые занимаются масштабируемыми летными демонстраторами (МЛД). Подобная технология, в частности, использовалась при подготовке и запуске аппаратов БОР по программам «Спираль» и «Буран». Для наиболее полного соответствия реальным условиям, демонстраторы запускаются на РН и начинают автономный полет при гиперзвуковых скоростях. Чем крупнее масштаб демонстратора, тем более достоверные данные можно получить. Но в реальных условиях величина МЛД диктуется размерами головного обтекателя ракеты, на которой производится запуск.
В ЛИИ закончены эскизные проекты на два варианта демонстраторов – с прямым (условно называется МЛД-ПК) и трапециевидным (МЛД-ТК) крылом, рассчитанных на запуск с помощью первой ступени перспективной РН «Ангара 1.2». Оба предстоит испытывать в диапазоне высот от 71 до 5 км, на числах М от 7.5 до 0.9 и углах атаки от 55° до 0° (см. таблицу 2).

Как мы уже писали, весной 2013 года модели МРКС (см. фото в заголовке статьи) прошли испытания на визуализацию обтекания и распределение тепловых потоков в ударной трубе УТ-1М (при числе М=6) и в гиперзвуковой трубе Т-117 (М=7.5). Получено немало ценных результатов. Ряд характеристик, заложенных расчетами, подтвержден, однако выявлены и неожиданно высокие тепловые потоки на центроплане прямого крыла, что может повлечь за собой изменение конструкции аппарата. Кроме того, выяснилось, что выбранная компоновка ВРБ не обеспечивает устойчивость по курсу. Следующий этап аэродинамических испытаний модели МРКС-1, запланированный на сентябрь – октябрь 2013 года, пройдет в гиперзвуковой (Т-116) и трансзвуковой (Т-128) аэродинамических трубах ЦАГИ.

Для планомерной эксплуатации системы огромное значение имеет обеспечение надежности и безопасности полетов. Очевидно, что внедрение предполагаемых решений, направленных, в первую очередь, на урегулирование этих проблем, потребует определенного снижения массовой отдачи конструкции. Кроме того, в предполетную подготовку МРКС-1 планируется включение новых операций: в частности, предполагается проведение статических и огневых контрольно-технологических испытаний (КТИ). Если надежность современных одноразовых РН оценивается примерно на уровне 0.96, то предлагаемые решения смогут обеспечить повышение надежности до уровня 0.987 при внедрении КТИ и до уровня 0.993 при внедрении КТИ и горячего резервирования двигателя, что в проект МРКС-1 и заложено.

В настоящее время специалисты ЦАГИ уже успели оценить рациональную кратность применения ВРБ, а также варианты демонстраторов и необходимость их реализации. Возвращаемая первая ступень позволит обеспечить высокий уровень безопасности и надежности и полностью отказаться от выделения районов падения отделяемых частей, что существенно повысит эффективность исполнения перспективных коммерческих программ. Указанные выше преимущества для России представляются крайне важными как для единственного государства в мире, имеющего континентальное расположение существующих и перспективных космодромов.

Предполагается, что создание МРКС-1 станет качественно новым шагом в области проектирования перспективных многоразовых транспортных средств выведения на орбиту. На втором этапе реализации данной программы многоразовой планируют сделать и вторую ступень, а масса выводимой полезной нагрузки должна будет вырасти до 60 т.

На сегодня МРКС-1 рассматривается как универсальное многоцелевое средство, предназначенное для запуска полезных грузов разнообразного назначения, пилотируемых и грузовых кораблей по программам освоения человечеством околоземного космического пространства, исследования Луны и Марса, а также иных планет нашей Солнечной системы.


Расположение двигательных установок блока ВРБ

По мнению специалистов Центра Хруничева, прогнозируемое снижение удельной стоимости выведения грузов с помощью МРКС-1 может составить от 2 до 5 раз. И это без учета сокращения стоимости отчуждения земель под трассу выведения вплоть до полного исключения требований под поля падения. В целом создание семейства МРКС-1 может стать серьезной альтернативой любому средству выведения нового поколения, которое будут эксплуатироваться в XXI веке.

Источники:
1. Раздаточный материал ГКНПЦ им. М. В. Хруничева на семейство многоразовых ракет космического назначения на салоне МАКС-2013.
2. Доклад «Дальнейший этап развития ракетно-космических средств» ведущих специалистов ГКНПЦ имени М. В. Хруничева В. Е. Нестерова, А. И. Кузина и П. А. Лехова на Королёвских чтениях 2013 года.

Tags: ГКНПЦ, МРКС, Новости космонавтики, адвокат дьявола, будущее, в порядке бреда, вшивый о бане, информация к размышлению, космос, найденное, переделка, чтобы не пропало
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 38 comments