omega_giperon (omega_hyperon) wrote,
omega_giperon
omega_hyperon

Category:

«Орион» против «Клипера»: почему «капсула» побеждает «крыло»? НК 10/2007

В связи с предложением Д.О.Рогозина о разработке нового отечественного крылатого корабля для обслуживания орбитальной станции, будет не лишним вспомнить замечательную статью И.Афанасьева и Д.Воронцова из 10 номера "Новостей космонавтики" за 2007 год, посвященную анализу различных схем кораблей как раз для этого целевого назначения.

Пилотируемой космонавтике почти полвека. И столько же лет длится дискуссия на тему «По какой схеме должен строиться космический корабль?» Есть свои сторонники и у «классики» – капсул типа американского Apollo или российского «Союза», и у «крыльев» класса Space Shuttle и «Бурана». Особняком держутся поклонники компромисса – аппаратов с несущим корпусом (АНК).

Прошлогодняя попытка проведения Роскосмосом тендера на новый многоразовый пилотируемый космический корабль (ПКК) не только вызвал новый всплеск споров околокосмической общественности, но и выявила различные подходы к определению облика перспективного аппарата.

Как известно, РКК «Энергия» предложила на конкурс проект крылатого корабля, хотя изначально рассматривалась схема с несущим корпусом. НПО «Молния» выставила вариацию широко известного проекта МАКС. Третий участник тендера – ГКНПЦ имени М.В.Хруничева – представил «консервативный» проект капсульного корабля, созданного с учетом наработок по транспортному кораблю снабжения (ТКС) системы «Алмаз», созданного еще в 1970–80х годах.

Оставим перипетии несостоявшегося тендера в стороне и остановимся на преимуществах и недостатках каждой из схем, а также возможных областях их применения.

Очевидно, что любая проектная деятельность, в частности разработка такого сложного объекта, как ПКК, предполагает, в первую очередь, установление четких целей проекта. В теории это выглядит примерно так. Заказчик должен определить целевое назначение корабля, перечень решаемых им задач, а также основные требования. А задача конструктора – обеспечить выполнение требований заказчика с учетом технических
ограничений и в пределах выделенного финансирования. А применение той или иной схемы – всего лишь способ достижения поставленных целей.

Факторов, влияющих на выбор облика ПКК, великое множество. Перечислим некоторые из них.

• Назначение: снабжение орбитальных станций, полеты к планетам, автономные полеты в научных целях, разведка, инспекция и/или уничтожение КА противника, нанесение ударов по наземным целям и т.п.
• Срок пребывания в космическом пространстве.
• Требования к кратности использования (одноразовый или многоразовый ПКК).
• Способ посадки: парашютная, вертикальная с использованием собственных двигателей, горизонтальная на взлетно-посадочную полосу (ВПП).
• Траектория спуска в атмосфере: скорость и угол входа, дальность бокового маневра, ограничения на перегрузку и тепловой режим, точность посадки.
• Требования к аварийному прекращению полета.
• Возможности средств выведения: использование имеющихся либо разработка новых носителей.

Разумеется, не последнюю роль играет экономика проекта, которая также может формулироваться по-разному: стоимость разработки либо стоимость одного полета или даже всего жизненного цикла ПКК. Для крылатых аппаратов и АНК проблема выбора конфигурации осложняется еще и тем, что практически невозможно создать форму с аэродинамикой, оптимальной для всего диапазона чисел Маха (то есть от 25 до 0!). А ведь для горизонтально садящегося аппарата важно не только гиперзвуковое качество, влияющее на боковую дальность снижения, но и дозвуковое – при заходе на посадку. Отсюда и появление проектов кораблей «трансформеров»: при гиперзвуковом и сверхзвуковом полете конфигурация соответствует АНК, а на «дозвуке» и при заходе на посадку выдвигаются (или раскладываются) консоли крыла большого удлинения.

Иными словами, облик ПКК (схема, размеры, масса) определяются вполне конкретной проектной ситуацией, в первую очередь целевым назначением аппарата.

К концу 1960х были синтезированы практически все возможные схемы кораблей (баллистические и полубаллистические – с малым гиперзвуковым качеством – капсульного типа, АНК, крылатые и с изменяемой геометрией) и определены присущие им достоинства и недостатки.

Одну из первых попыток комплексной оценки различных схем и выбора оптимального варианта ПКК для решения задачи материально-технического снабжения орбитальной станции с численностью экипажа от 18 до 36 человек предприняли специалисты NASA в середине 1960х годов (* Stephens R. R., Rauсh R. P. The Influence of Manned Mission Requirements on Spacecraft Design and Selection; AIAA Paper № 666958.).

Изучалось четыре типа ПКК: полубаллистический (с гиперзвуковым качеством 0.25–0.5); АНК (около 1.0); изменяемой геометрии (около 1.5) и крылатый (примерно 2–3). Во всех аппаратах пассажиры размещаются в модульном отсеке для экипажа, а грузы – в переходнике РН, который одновременно является грузовым отсеком. При обратном полете на Землю в отсеке для экипажа мог размещаться груз массой 230 кг.

Корабли сравнивались по следующим параметрам: способность выведения нагрузки на орбиту, стоимость программы и эксплуатационная гибкость. Проводилась оценка эксплуатационных факторов, зависящих от схемы аппарата, с целью определения их влияния на общие расходы. Например, изучалась возможность посадки ПКК с малым аэродинамическим качеством (баллистической капсулы) на сушу в заданном районе. Если аппарат не мог быть приспособлен для посадки на сушу и требовал посадки на воду, то это «повидимому, серьезно затрудняло повторное применение ПКК из-за роста расходов на восстановительный ремонт в связи с порчей оборудования, конструкции, теплоизоляции и другого в результате погружения аппарата в воду». Отмечалось: «желательно, чтобы все корабли были пригодны для многократного применения».

Помимо экономических факторов, для каждой схемы рассматривались наиболее трудные технические проблемы, способные повлиять на характеристики ПКК как транспортного средства или задержать разработку аппарата. Это были проблемы, связанные с силовой конструкцией, системой теплозащиты, системой аварийного спасения (САС), техникой стыковки и с системами управления при входе в атмосферу, а также совместимость корабля с РН.

Предполагалось, что запуски аппаратов для доставки на орбитальные станции людей и грузов будут осуществляться с помощью РН типа Saturn IB и Saturn V (основной носитель – Saturn IB с грузоподъемностью до 18 т и стоимостью пуска 39 млн $ (в ценах середины 19600х годов)). Экипажи первых станций составят от шести до 12 человек, последующих – от 20 до 36 че ловек, а сами станции будут обращаться по низким (высотой 370–560 км и наклонением 28.5–90°), а некоторые даже по геостационарным орбитам.

Основные параметры, например численность экипажа и максимальная масса ПГ, выбирались так, чтобы сократить число потребных запусков для доставки грузов и людей на станции, поскольку основной вклад в стоимость программы вносила именно РН. Численность экипажа ПКК принималась от 9 до 12 (для больших станций с «населением» до 36 человек).

При этом отмечалось, что разница в числе требуемых запусков для аппаратов с экипажем из 9 и 12 человек – всего один за пуск. При обслуживании «средней» станции с экипажем 20–27 человек наименьшее число запусков требуется для девятиместного ПКК; исключение составляет баллистический аппарат, для которого оптимальным является экипаж из 12 человек. При обслуживании «большой» (30–36 человек) станции наименьшее число запусков требуется для 12-местного аппарата – баллистического или АНК и для девятиместного аппарата из меняемой геометрии или крылатого.

При анализе совместимости корабля с РН было выявлено, что только крылатый аппарат создает нагрузки, превышающие расчетные параметры РН Saturn IB. Например, максимальный изгибающий момент, действующий на корпус ракеты при установке крылатого аппарата в головной части, вдвое превышает этот показатель при размещении АНК либо аппарата с изменяемой геометрией. Наименьшие нагрузки вызывал корабль капсульного типа. Подобное явление наблюдалось и при использовании для запуска РН Saturn V. «Таким образом, крылатый аппарат нельзя использовать, пока не будут усилены ступени РН или не будет найден способ уменьшения нагрузок на конструкцию», – сделали вывод инженеры.

Наименьшей массой конструкции модульного отсека экипажа (возвращаемого аппарата) также обладал капсульный ПКК – всего лишь 3600 кг (конструкция – 380 кг, ТЗП – 630 кг, системы и экипаж – 2590 кг). Масса крылатого отсека экипажа вдвое больше – 7390 кг (конструкция – 2670 кг, ТЗП – 650 кг, системы и экипаж – 4070 кг). Масса этого отека для АНК и аппарата изменяемой геометрии составляла 4750 и 5500 кг соответственно.

Капсульный ПКК мог доставить на орбиту 9030 кг груза (включая контейнеры), а крылатый – только 3590 кг. Правда, масса САС последнего по расчетам получалась в несколько раз меньше, чем для капсулы – 140 кг против 350 кг для высокоэффективной и 600 кг против 2440 кг для менее эффективной САС. АНК и «трансформер» обладали промежуточными показателями грузоподъемности – 7060 и 6240 кг соответственно.

При этом стартовая масса ПКК всех схем составляла от 17180 кг для крылатого аппарата до 17850 кг для капсулы (с высокоэффективной САС). Массовая отдача по грузу составила: 20.9% для крылатого, 50.5% для капсулы, 40.5% для АНК и 35.7% для аппарата изменяемой геометрии. Видно, что улучшение аэродинамики аппарата ведет к росту массы модульного отсека экипажа, в результате чего снижается масса груза, который ПКК способен доставить на орбиту. Низкая массовая отдача крылатого аппарата объяснялась обилием конструктивных элементов, работающих на изгиб, и довольно большой площадью крыла.

По маневренности при спуске в атмосфере вне конкуренции крылатый и «трансформируемый» ПКК. Первый позволяет увеличить дальность бокового маневра до 4800 км по сравнению с ~74 км для баллистической капсулы. Она может лишь совсем немного скорректировать траекторию входа в атмосферу; при расчетах американцы предполагали, что для посадки на сушу будет использоваться параплан.

По сравнению с капсулой АНК обладает значительно большей маневренностью на этапах входа в атмосферу, планирующего спуска и посадки, что повышает его эксплуатационную гибкость: он может возвращаться с орбиты при возникновении аварийной ситуации и совершать посадку на запасную площадку. Результаты исследований показали, что в этом отношении несущий корпус и крыло обладают примерно одинаковыми посадочными характеристиками, удовлетворяющими минимальным требованиям. Однако у АНК, ввиду применения несущей поверхности малого удлинения, посадка на ВПП должна производиться с большими углами атаки. Для того чтобы пилот имел приемлемый обзор из кабины, ему потребуется перископ. Аппарат изменяемой геометрии имеет намного лучшие посадочные характеристики – как полагали разработчики, в основном вследствие более высокого аэродинамического качества на дозвуке и хорошего обзора, обеспечиваемого летчику при посадке.

В среднем наибольшему нагреву подвергался АНК – до 1830°С в аварийном случае нагревается носовая часть, до 2150°С – нижняя поверхность. Это объяснялось большой, по сравнению с другими аппаратами, удельной нагрузкой на несущую поверхность и более резкими изменениями контура вдоль нижней несущей поверхности. Однако рост удельной нагрузки на несущую поверхность обычно приводит к снижению массы аппарата. Сравнительно небольшая температура в носовой части баллистического ЛА – до 1580°С – видимо, объяснялась очень большим радиусом лобового щита. Самую низкую температуру нагрева верхней и боковой поверхности (465 и 480°С) имел крылатый ПКК. Отмечалось, что для носовой части крылатого ПКК необходима керамическая теплозащита, в то время как остальные поверхности можно защищать менее жаростойкими материалами. Существенным недостатком АНК являлась необходимость применения абляционных материалов для защиты отдельных участков планера, что снижает эксплуатационные качества аппарата многократного применения.

Весьма любопытна и оценка эксплуатационно-экономических характеристик рассматриваемых ПКК. Например, вероятность успешного полета для капсульного аппарата оценивалась в 0.941, для крылатого –в 0.944, а для АНК и «трансформера» – в 0.943. А вот вероятность спасения корабля в нештатной ситуации была, по оценке NASA, для «капсулы» 0.951, а для ПКК остальных схем – 0.961–0.962. (Принималось, что в случае аварии на старте для нормальной посадки капсулы, отделенной от носителя, необходимо ввести в действие штатную парашютную систему, что возможно лишь в достаточно узком диапазоне высот и скоростей полета. Диапазон устойчивых «посадочных состояний» для остальных аппаратов, обладающих аэродинамическим качеством, значительно шире, да и парашют для их посадки открывать не надо)

Предполагалось, что для отработки конструкции необходимо построить три ПКК капсульной схемы и по пять аппаратов АНК, крылатого ПКК и корабля«трансформера». Как и следовало ожидать, самой дешевой в разработке (проектирование, постройка и отработка экспериментальных аппаратов) оказалась «капсула» – всего 670 млн $. Как ни странно, самым дорогим, по расчетам NASA, стал не корабль изменяемой геометрии (всего-навсего 947 млн $), а крылатый аппарат, стоимость разработки которого составила бы около 1070 млн $. Видимо, американцы сочли, что разработка раскладного крыла для дозвукового полета не вызовет каких-либо проблем. По всем остальным экономическим показателям («расход» РН на выполнение программы, стоимость производства и эксплуатации и т.п.) крылатый ПКК также оказался аутсайдером.

В итоге стоимость программы обслуживания орбитальной станции с использованием «крыла» выливалась в сумму почти 8.9 млрд $, тогда как капсула требовала всего лишь 6.3 млрд $. АНК и «трансформер» заняли промежуточное положение: 6.8 и 7.03 млрд $ соответственно. Данные NASA по эксплуатационно-экономическим показателям сведены в таблице 1.

Поскольку по своим характеристикам рассматриваемые аппараты весьма (скажем, даже подозрительно) напоминают европейский Hermes, американский Orion и российский «Клипер» в разных их «инкарнациях», с помощью данной таблицы можно достаточно точно оценить расчетные показатели всех этих проектов. Для чистоты эксперимента можно даже умножить экономические данyые на шесть (примерно во столько раз упала «покупательная способность» доллара с середины 1960х годов). Естественно, кому-то цифры покажутся весьма оптимистичными, но во всяком случае можно будет понять порядок сумм при закладке программы такого аппарата.

Итак, каков же баланс достоинств и недостатков ПКК различных схем?

Капсульный аппарат (Orion, «Союз», ППТС – НК №9, 2007, с.8–9) прост по конструкции и соответственно недорог в разработке и производстве, технический риск минимальный. При выборе формы спускаемого аппарата (конус, «фара» и т.п.) и центровки обладает некоторым аэродинамическим качеством, что обеспечивает приемлемый (Однако при парашютно-реактивном спуске посадку капсулы можно назвать «мягкой» лишь весьма условно. Во всяком случае, таково мнение ряда иностранных астронавтов, вернувшихся на Землю на «Союзе» и имевших возможность сравнить ее с посадкой на шаттле) уровень перегрузок и относительно высокую (порядка 20 км) точность приземления. Такие аппараты в аварийных ситуациях способны продолжить спуск в баллистическом режиме. «Капсула» наилучшим образом приспособлена для доставки экипажей и грузов на орбитальные станции. Однако существенным недостатком схемы являются трудности обеспечения многократного использования теплозащиты: из-за относительно короткого и «крутого» участка спуска и, как следствие, высоких тепловых потоков, как правило, применяется одноразовая абляция.

Крылатые корабли допускают многоразовое применение теплозащиты. Маневренность «космических самолетов» (как в продольном, так и в боковом направлении) обеспечивает высокую точность посадки, а высокая аэродинамика позволяет выполнять маневры по изменению наклонения орбиты с относительно небольшими затратами топлива и осуществлять посадку практически с любого витка орбиты с большим боковым отклонением. Перегрузки при спуске с орбиты минимальны. Однако недостатки, как известно, это продолжение достоинств. Крылатая схема допускает лишь горизонтальную посадку (впрочем, для ПКК небольшой размерности можно применить и аварийную парашютную систему). Кроме того,крылатые корабли весьма сложны конструктивно (сочетание авиационных и ракетно-космических систем и агрегатов на одном борту), вследствие чего они дороги в разработке и производстве. Массовая отдача их невелика, и это наихудший вариант для обслуживания орбитальных станций.

АНК занимают промежуточное положение между «капсулой» и «крылом», сочетая достоинства и недостатки каждого из них. Тем не менее несущий корпус пользовался (да и сейчас еще пользуется) повышенным вниманием конструкторов. По сравнению с крылатыми кораблями, АНК состоит в основном из конструктивных элементов с большой строительной высотой, что определяет их относительно высокую весовую отдачу. Возможность планирующего спуска с орбиты допускает использование многоразовой теплозащиты. Но вот с устойчивостью и управляемостью на малых скоростях у АНК есть проблемы. А это плохо для точного и безопасного захода на посадку. И хотя проектов и опытных аппаратов было создано множество (Х-23, HL-10, X-24, X-38, M-2F-2, «Спираль», «Бор» и др.), ни один из них так и не стал штатным ПКК.

«Трансформеры» вроде бы обещали избавление от недостатков крыла и несущего корпуса, но их конструктивная сложность очевидна. Основное достоинство – приемлемая управляемость в широком диапазоне полетных условий и удобство захода на посадку. Любопытно, что к этой группе аппаратов можно отнести некоторые из советских проектов. В частности, у «Лапотка» П.В. Цыбина, в проекте «Спираль» и в ранних вариантах МАКСа предполагалось раскладывать крыло, правда, в основном из-за стремления снизить нагрев конструкции и массу теплозащиты. Тем не менее даже применение крыла малого удлинения существенно повышало характеристики аппарата на околозвуковых и дозвуковых скоростях.

Между тем специалисты NASA оценили крылатый ПКК как обладающий «очень хорошей» эксплуатационной гибкостью (наивысшая оценка досталась аппарату изменяемой геометрии), имея в виду возможность решения большого спектра задач. Тогда как «капсула» по этому показателю получила оценку «достаточная [эксплуатационная] гибкость».

Интегральная оценка специалистов NASA аппаратов рассмотренных схем приведена в таблице 2.

Напоследок имеет смысл процитировать американских инженеров:

«Результаты исследований показывают, что баллистический аппарат лучше всего подходит для материально-технического обеспечения космических станций. Однако для других программ полета, требующих большей эксплуатационной гибкости, лучше использовать аппарат изменяемой геометрии, имеющий более высокую номинальную стоимость. Все исследованные типы аппаратов могут удовлетворительно выполнять задачи обеспечения орбитальных станций.

Качественная [интегральная] оценка относится только к аппаратам, предназначенным для материальнотехнического обеспечения станций. Для аппаратов, выполняющих другие задачи по другим программам, оценка может быть совершенно иной».

Попросту говоря, почти сорок лет назад было доказано то, о чем мы говорили в самом начале статьи, – облик аппарата формируется его целевым назначением. Приятно чувствовать себя оказавшимся в «хорошей компании» – умных парней из NASA!
Tags: Безопасность космических полетов, Новости космонавтики, Роскосмос, адвокат дьявола, будущее, в порядке бреда, вшивый о бане, информация к размышлению, 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 

  • 21 comments