Научный руководитель: А.Р. Харисов
В данной работе приводится исследование достижений по созданию возвращаемых, многоразовых летательных аппаратов. Будут рассмотрены преимущества и недостатки описанных ниже подходов, на основе анализа конкурентов будет предложен несколько иной подход, реализуемый для объекта темы «Крыло».
Над вопросом создания многоразовых ракет и возвращаемых кораблей люди всерьёз задумались достаточно давно. Однако почему возникла необходимость в подобных аппаратах? Во-первых, экономическая выгода. Ниже себестоимость – гораздо выше возможности управления ценой. Во-вторых, это большие возможности по обслуживанию космических станций, выведения людей в космос и, конечно же, зондирования Земли. Меньшие габариты аппаратов, более частые пуски и выигрыш во времени. Поэтому вопрос об управлении движением многоразовых носителей был и будет актуальным в ближайшем (и не только) будущем. Направление очень перспективное и прибыльное, со временем в него будет привлекаться всё больше материальных и трудовых ресурсов [1].
Первую попытку создать многоразовый ракетоноситель (РН) предприняли американцы в 1981 г. Их программа называлась «Space Shuttle». Предполагалось, что два твёрдотопливных ракетных ускорителя будут выводить корабль-ракетоплан на околоземную орбиту для доставки туда людей и грузов, а затем после выполнения задания аппарат совершал бы посадку на взлётно-посадочную полосу. Отделение твердотопливных ускорителей происходило на 125 секунде полета при достижении скорости 1390 м/с и на высоте полёта около 50 км. Выход орбитального корабля на околоземную орбиту осуществлялся с помощью двигателей системы ориентации. Посадка же на планету была полностью пилотируемой [2].
В системе управления «Space Shuttle» последовательно использовались два метода наведения: с открытым контуром (т. е. программное наведение без обратной связи) и с замкнутым контуром (терминальное наведение с обратной связью). Наведение с открытым контуром применяется при полете в плотных слоях атмосферы. Управление угловым движением формировалось по жёсткой программе, где в качестве аргумента использовалась земная скорость. При движении в плотной атмосфере выполнялись ограничения по скоростному напору и по осевой перегрузке. В разреженной атмосфере алгоритм наведения использовался в упрощённой форме, аналогичной той, которая была разработана для ракеты-носителя «Сатурн 5» [3].
Однако понятие «многоразовость» для данного корабля было сильно утрировано: после каждого возвращения объект приходилось дорого и комплексно обслуживать. Имели место и аварии (шаттлы «Колумбия» и «Челленджер»). Поэтому программу закрыли.
Несмотря на экономическую нецелесообразность, которую показала программа «Space Shuttle», США решили не отказываться от проектов по созданию многоразовых космических кораблей. В 1999 году НАСА вместе с Boeing начало разработку беспилотника X-37. Самолёт предназначался для функционирования на высотах от 200 до 750 км, был способен быстро менять орбиты, маневрировать. Предполагалась также возможность выполнять разведывательные задачи, доставлять небольшие грузы в космос и возвращать их оттуда. Аппарат совершил три полёта максимальной продолжительностью 674 суток. В отличие от «Бурана» и «Space Shuttle» Boeing X-37 несла массу полезного груза всего 900 килограммов, однако это объяснялось спецификой решаемых этим аппаратом задач [4].
В СССР в 1969 году начали разрабатывать свои многоразовые летательные аппараты. Например, ЛА серии «БОР» – беспилотные орбитальные ракетопланы. Первый пуск БОРа провели без теплозащиты, из-за чего аппарат сгорел. Второй ракетоплан разбился из-за нераскрывшихся парашютов после успешного торможения об атмосферу. В следующих пяти пусках только один раз БОР не вышел на орбиту. Данные аппараты в основном использовались для проверки аэродинамических характеристик, и качество в этом случае особо роли не играло. Зато с помощью БОР-4 в 1980-х годах протестировали теплозащиту для будущего орбитального корабля «Буран» [4].
В «ЦСКБ-Прогресс», возглавляемое на тот момент Д.И. Козловым, активно продвигали идеи многоразовых ракетных блоков в рамках темы «Подъём», которую свернули в угоду программы «Энергия-Буран» и её производной – ракетоноситель «Зенит», на базе которой В.Ф. Уткин планировал сделать своё семейство ракет-носителей [1].
Советский аналог «Space Shuttle», орбитальный корабль (ОК) «Буран» стал настоящим технологическим прорывом. Во-первых, более продуманное программное обеспечение. Во-вторых, более широкие возможности резервирования (предусматривался выход из строя сразу двух БЦВМ). В-третьих, как уже было сказано, полностью автоматизированная посадка. Истории даже стал известен случай, когда во время испытаний на высоте 11 км автоматика «Бурана», проанализировав погодные условия, развернула корабль на 180 градусов и посадила на посадочную полосу с другой стороны. Инцидент ознаменовал успех советской инженерии.
«Буран» должен был совершать полёты в автоматическом режиме на околоземные орбиты с аналогичными задачами. Система автоматической посадки производства МОКБ «Марс» позволяла это делать. Предполагались и пилотируемые полёты. Атмосферный участок полёта делился на два участка: «Спуск» и «Посадка». На участке «Спуск» управление ориентацией происходило за счёт газодинамических рулей, а управление ОК по номинальной траектории производилось посредством изменения знака крена. В плотных слоях атмосферы происходило гашение скорости. На высоте км происходило обеспечение согласованной передачи управления на участок «Посадка» [5].
На участке «Посадка» решалась задача приведения ОК из указанной начальной области (область заранее согласовывалась) к оси взлётно-посадочной полосы (ВПП) в ключевую точку с последующим заходом на посадку с использованием трёхглиссадной схемы. Все задачи управления на данном участке решались посредством отклонения аэродинамических рулевых поверхностей. Исключением являлся некоторый начальный интервал, на котором использовались газодинамические органы управления для улучшения устойчивости и управляемости. Алгоритмы наведения были похожими на те, которые использовались для «Space Shuttle» [5].
В 1988 году 15 ноября «Буран» совершил свой первый и последний полёт. В 1990 году программу приостановили вследствие прекращения финансирования.
Некоторые попытки по разработке многоразовой системы предпринимали немцы. Однако их проект «Зенгер» был закрыт в 1995 году по той же причине, что и программа «Space Shuttle» [1].
Сейчас вопросом по многоразовым аппаратам (ракетам) активно занимается компания SpaceX. Их ракета Falcon 9 после запуска на орбиту 11 спутников Orbcomm-G2 22 декабря 2015 года успешно приземлилась на площадку Посадочной зоны, а в апреле 2016 года аналогичная ракета (её первая ступень) приземлилась на морскую платформу. Такого успеха инженерам SpaceX удалось достичь благодаря применению двух новейших технологий в области ракетостроения: это система охлаждения двигателей и применение двигателей, обладающих функцией повторного зажигания. При возврате к месту запуска на посадочную площадку после расстыковки ступень использует продолжительное включение трёх двигателей для изменения направления своего движения на противоположное, выполняя сложную петлю. В случае посадки на плавающую платформу после запуска на низкую околоземную орбиту, ступень инерционно продолжает движение по баллистической траектории до высоты около 140 км. При приближении к апогею производится торможение тремя двигателями для сброса горизонтальной скорости и задания направления к платформе [6].
К недостаткам Falcon 9 можно отнести маломощные по тяге двигатели, однако здесь стоит уточнить, что для каждой новой версии ракеты двигатели совершенствуются. Например, ракета Falcon Heavy способна выводить до 60 тонн полезной нагрузки на геопереходную орбиту. Преимущество – это безусловная коммерческая выгода, поскольку проект испытан, обкатан и достаточно часто используется.
Компания и по сей день продолжает использовать Falcon 9 для запуска коммерческих спутников связи, научно-исследовательских космических аппаратов, грузового космического корабля Dragon в рамках программы Commercial Resupply Services по снабжению Международной космической станции, а также для запуска пилотируемого корабля Crew Dragon. Данный корабль способен доставлять до 7 человек экипажа и возвращать их обратно на Землю, а его полезная нагрузка – до 6000 кг, что почти в три раза больше, чем у российского аналога – корабля «Прогресс МС-12» [6, 7].
Сейчас в России данный вопрос активно прорабатывается в рамках проекта летательного аппарата темы «Крыло-СВ». Это многоразовая крылатая ступень ракеты лёгкого класса, аванпроект которой был подготовлен и защищён 29 мая 2019 года в Фонде перспективных исследований. Он выполнялся рабочей группой, где головным предприятием выступил АО ЭМЗ имени В.М. Мясищева. В основу «Крыла-СВ» легла конструкция крылатой ракеты «Байкал». В отличие от ракет Falcon 9 объект будет возвращаться на аэродром/космодром обратно (подобно «Бурану»), и не нужно будет забирать ракетный модуль с различных удалённых точек земной поверхности. Возвращаться данный объект управления будет как летательный аппарат «самолёт», поэтому для него предусмотрены шасси. Предполагается, что в зависимости от поверхностей приземления у него будут сменяемые конструкции шасси. Для посадочных полос – колёса, для грунтовых поверхностей – лыжи. Также выдвигается идея о возможности не монтировать шасси на «Крыле», а использовать так называемую «тележку» (подвижный земной объект, который будет взаимодействовать с объектом управления). Данная «тележка» будет полностью автоматизирована. Однако такая концепция пока на стадии рассмотрения. Да и требующие решения задачи подобного рода посадки достаточно сложные с физической и математической точки зрения. Однако есть и недостаток: из-за специфики геометрической формы ЛА могут возникнуть проблемы с устойчивостью полёта на трансзвуковых скоростях. Если данный проект будет реализован, то, как и «Буран» в 80-е годы прошлого столетия, он станет по-настоящему прорывным и спровоцирует космические организации на новые исследования и разработки новых многоразовых ЛА для освоения космоса [8].
Поскольку ЛА типа «Крыло» имеет небольшие габариты (всего 6 метров в длину и 0.8 м в диаметре) и несёт небольшую полезную нагрузку (около 600 кг), его можно адаптировать под вывод на орбиту Земли наноспутников. Учитывая тенденцию постепенного уменьшения массы современных спутников, это станет вполне перспективным направлением. Данный проект сделает космос доступным для небольших компаний и государственных организаций, а возможности возвращения первой ступени из космического пространства значительно снизит цену таких запусков.
Библиографический список
- Многоразовость. Как вернуться целой после полёта? – https://habr.com/ru/post/517132/ (дата обращения к ссылке – 23.10.22)
- Спэйс шаттл – https://ru.wikipedia.org/wiki/Спейс_шаттл (дата обращения к ссылке – 25.10.22)
- Сихарулидзе, Ю. Г. Баллистика и наведение летательных аппаратов / Ю. Г. Сихарулидзе. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. – 407 с.
- Многоразовые космические корабли – https://habr.com/ru/post/224597/ (дата обращения к ссылке – 27.11.22)
- «Буран». Основы проектирования интеллектуальной системы управления орбитальным кораблём на атмосферном участке полёта / под ред. д.т.н., профессора А. С. Сырова. – М.: Изд-во МОКБ «Марс», 2013. – 276 с.
- SpaceX – https://ru.wikipedia.org/wiki/SpaceX (дата обращения к ссылке –26.10.22)
- Прогресс МС-12 – https://ru.wikipedia.org/wiki/Прогресс_МС-12 (дата обращения к ссылке – 02.12.22)
- Крыло-СВ – https://ru.wikipedia.org/wiki/Крыло-СВ (дата обращения к ссылке – 30.11.22)
Количество просмотров публикации: Please wait