bigdrum (bigdrum) wrote,
bigdrum
bigdrum

Category:

Немного о многоразовой космонавтике - 10

Предыдущие части: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.



Ну что, пришла пора поговорить о ракетных системах...

По сути своей, все системы выведения нагрузки в космос, кроме ракетных, являются либо экспериментальными, либо гипотетическими. Потому о них можно говорить коротко. В контексте многоразовой космонавтики все без исключения гипотетические системы - многоразовые. Почему? Потому что существуют ракетные системы, более-менее освоенные, более-менее проработанные, обладающие достаточными на сегодняшний день характеристиками, и они в большинстве своем одноразовые. И выдумывать еще одну одноразовую систему, например намораживание ледяной горы на экваторе с вершиной в космосе, размораживающейся после каждого вытаскивания нагрузки тракторами, в наше время глупо и неинтересно.

Если мы хотим многоразовые системы - мы чего-то мудрим, если нужно просто вывести нагрузку, не заморачиваясь на всякие плюшки-фишечки - мы берем старую добрую ракету, и хрен с ней, с многоразовостью...

Все ракетные системы подчиняются базовым принципам, сформулированным Циолковский. Ну там, формула Циолковского, многоступенчатость, первая-вторая-третья космические скорости и так далее. Потому, в общем, все ракеты похожи друг на друга. Дьявол, как обычно, кроется в мелочах.

Давайте зададимся вопросом, какая ракета лучше - Союз или Фалькон? Вопрос вроде простой. И как только мы попытаемся на него ответить, у нас тут же встает проблема - по каким критериям оценивать, и главное, какие из них считать главными, наиболее важными, а какие вторичными. Лучше всего попробовать разобраться на примере.

РН Союз имеет стартовую массу 307 тонн, и выводит на НОО 7 тонн. Масса топлива - 274 тонны. РН Фалькон-9 имеет стартовую массу в 549 тонн, в последней версии (одноразовая миссия) выводит на НОО 23 тонны, массу топлива посчитайте сами. Давайте приведем массу ракеты к нагрузке. То есть - разделим стартовую массу на нагрузку, чтобы получить весовые затраты. Для РН Союз эта цифра - 43,86 тонны на тонну выведения, для РН Фалькон - 24,95.

Только что мы с вами оценили весовое совершенство ракетной системы.

Невооруженным взглядом видно, что обещаемые в одноразовом запуске (и скорее всего достижимые) параметры Фалькона делают его значительно лучше, чем РН Союз. И это - не говоря об абсолютной забрасываемой массе. Для фанатов Илона Маска вопрос закрыт, все остальные недоуменно пожимают плечами - дескать, автор открыл Америку. Да, ваш покорный слуга, Капитан Очевидность, открыл Америку и собирается ее еще чуть-чуть приоткрыть. Для ясности.



Первое соображение - Союз суть ракета "времен очаковских и покоренья Крыма" (не нынешнего, а прошлого), а Фалькон - свежачок. Трудно считать, что американцы такие тупые, что будут при проектировании новой ракеты закладывать характеристики хуже, чем были достижимы во времена наших отцов (а для кого-то и дедов), так что глупо было бы надеяться на обратное. Второе соображение - в Фальконе использованы новые технологии и новые материалы, которых не было у Сергея Павловича Королёва. И это тоже логично. На самом деле есть еще третий момент. Двигатели РН Союз - они, как бы так сказать, по своим характеристикам не айс. У них низкий удельный импульс, небольшая тяга, они изготавливаются по старому техпроцессу из допотопных материалов, в то время как Мерлины, несмотря на некоторую ублюдочность, заключающуюся в практически предельных режимах работы, что ранее приводило к проблемам, и не факт, что не приводит сейчас - все же по общим характеристикам хороши.

Еще раз думаем, и нам все становится ясно - Союз гавно, Фалькон рулит, русские сосут, американцы смеются, фанаты Илона Маска ходят с барабанами и кричат про какую-то харю...



Вот теперь, когда всем все очевидно и ясно, я хочу задать вопрос. Давайте не мерить сферического коня в вакууме с другим таким же конем в том же месте, а конкретизируем. Поставим вопрос не просто "какая ракета лучше", а "какая ракета лучше для конкретного клиента". Компрене?

Читая про Фалькон, я обратил внимание на конструкцию баллона с гелием. Баллон с гелием на Фальконе выполнен из углепластика с алюминиевым покрытием. Ключевое слово здесь - углепластик. Самый легкий и прочный материал из промышленно доступных в количествах. Материал настолько новый, что когда при разработке Эйрбас А380 конструкторы использовали углепластиковые балки для поддержки пола салона - это было технической революцией в авиации. США - это страна-лидер по использованию углепластика. Знаменитые Тесла того же Маска, чтобы показывать рекордные характеристики, имеют раму из углепластика. Легче корпус - легче авто - больше пробег, лучше динамика. В США строят яхты океанские из углепластика, его серийно используют в Боинг Дримлайнер... Потому в США углепластик дешевле всего на планете, понимаете?

Несмотря на свои великолепные характеристики, несмотря на дешевизну углепластика в США, в ряде случаев заказчикам интереснее Союз, чем Фалькон.

РН Союз клепается (на самом деле там сварки много, но гештальт...) из люминя (тоже гештальт). Из православного военного ракетного люминя. В РФ углепластик распространен мало, во всяком случае пока. Но это дело поправимое. Вот в самолете МС-21, который уже испытывается, и которого уже второй летный экземпляр выкатили - все крыло из композитов. Будем надеяться, что результаты будут хорошие, и применение углепластика будет расширяться, а его стоимость - снижаться. Причем, поскольку в РФ идет модернизация промышленности, а в США они имеют что имеют - пусть это самое лучшее, но ничего лучше они уже получить не могут по причине объективной невозможности - отставание РФ в благородном деле замены металла на композиты будет снижаться.

Если говорить о развитии ракетно-космических технологий, и если вспомнить о том, что ракетостроение - это интегральная функция от развития промышленности, то перспективы РФ выглядят радужно. Просто потому, что Фалькон - это та голова, выше которой не прыгнешь, а Союз - это то, от чего можно идти только вперед.

Учитывая промышленную катастрофу, постигшую республики бывшего СССР в связи с его распадом, вопрос можно поставить так. Что было бы с Союзом, будь он совершеннее с технической точки зрения? Что стало с гораздо более совершенным Зенитом, с превосходной Энергией? И Энергия, и Зенит не выдержали разрыва производственной кооперации. Пока была возможность - Зенит тянули (Энергия накрылась сразу), но тут украинские политики здорово помогли, и похоронили свою последнюю надежду на то, чтобы Украина называлась космической державой. Может, еще будет несколько запусков - но меня терзают дурные предчувствия, когда я гляжу на этих дурных людей...

Если бы к моменту распада СССР мы отказались от Союза - мы бы в космос не летали. Вообще. Не на чем было бы, понимаете? Более того, воссоздание инфраструктуры для нового носителя, или поддержка его - это было бы нереально. Посмотрите на Зенит. Сосредоточенными усилиями двух президентов - России и Украины, при непосредственном участии США, проект дышал, пока в Украине не начались пертубации. Пришел Ющенко - Украина вылетела из Морского старта, Зенит накрылся медным тазом.

Для Российской Федерации периода межвременья, который все еще идет, и только подходит к концу, и на самом деле нужно еще много работать, чтобы он закончился - Союз является лучшей ракетой. Потому что его технологии таковы, что могут исполняться на сохранившемся оборудовании, силами сохранившихся специалистов, и при этом этот носитель хорошо летает, пусть и не с рекордными достижениями. Если бы мы отказались от Союза в пользу Зенита (а такие мысли были, просто не успели) - у нас бы ничего не было, потому что Зенит мы бы не потянули.

Собственно говоря, Зенит мы и не потянули, судя по всему...



Я опять повторяю свою мысль о том, что новая ракета всегда лучше старой. Но вот сейчас, в этой точке, я хочу сделать одно уточнение. Старая ракета, которая есть и летает - всегда лучше новой, которой нет.

Объективно, исходя из политической и экономической обстановки, исходя из состояния промышленности, для РФ пока что - и я надеюсь, что это "пока" уже уходит в прошлое - лучше Союза ракеты нет. И лучше Протона тоже. Потому что они не являются неподъемной ношей для экономики, они исправно выполняют свои функции (ну, если контролеры не пропускают брак при сборке), и даже, в отдельных случаях - эти носители оказываются более привлекательны для клиентов, чем Фалькон, который свеженький, новенький и с иголочки...

Для бедных людей нужна ракета для бедных, каковой является Союз, для богатых лучше ракета для богатых, каковой является Фалькон.

Заканчивая тему об углепластике в Фальконе, мы должны сказать следующее. Американцы уже достигли технологического предела, а у нас еще все впереди. Более того, на американском опыте мы учимся - они набивают шишки за нас. Все проблемы с композитами в любой отрасли - и в авиации, и в космонавтике, и в яхтинге, и в строительстве - они все наблюдаемы, специалисты их оценивают, и овладение карбоном как промышленным конструкционным материалом в РФ произойдет легче, быстрее и дешевле.

Оффтопик: в прекрасной с технической точки зрения концепции сборных домов "Элевит" можно заменить тонкостенный профиль на углепластик - имхо может получиться интересно...

С материалом корпуса ракеты мы разобрались. Теперь перейдем к системам управления. И здесь ситуация, как бы сказать - аховая. В СССР с кибернетикой было плохо, потому значительная часть элементов управления ракет была аналоговая, а порой даже и механическая. Времена меняются, возможности цифры уже давно не оставили шансов аналоговой технике. На последних версиях корабля Союз уже цифровая система управления, РН Союз только переводят на цифру. Вопрос - если в планах замена ракеты на другой носитель, имеет ли смысл? Имеет. Союз - ракета с богатой статистикой, вылизанная, знакомая. Отладка цифровой системы на ракете, которая известна вдоль и поперек - это гораздо быстрее и проще, чем то же самое на новой ракете, где конь не валялся, и своих мух хватает. Вот так древняя, как дерьмо мамонта, королёвская семерка еще раз послужит отечественной космонавтике - как сейчас уже служит корабль Союз.

То есть по сути своей, РН Союз - это не только носитель для бедных, который есть, но и испытательный стенд для того, что будет.

Не менее важным фактором в развитии отечественной космонавтики является элементная база цифровых систем. Действующий со времен Холодной войны в США запрет на экспорт высокотехнологической продукции в РФ, усиленный санкциями последнего времени, искусственно ограничивает и сдерживает внедрение. До 2000 года, когда казалось, что сближение России и США возможно, цифровые системы базировались на покупные компоненты. Однако сейчас приходится опираться на отечественную элементную базу, а производство компонент, и так неважное в период СССР, сейчас вообще не актуально ни разу. То есть, требуется делать свои микросхемы, перепроектировать системы управления... Ракетостроение есть интегральная область, агрегирующая весь промышленный потенциал. И с этой точки зрения отечественные разработки, и в области процессоров, и в области контроллеров - они необходимы. И они идут. И нужно понимать, что безо всех этих Эльбрусов нам в космос не летать. Можно сколько угодно ругать и хаять отечественную вычислительную технику, но для ракетчика откровенно средний процессор, который есть здесь, заведомо лучше великолепного процессора, который есть где-то там, и где-то там навсегда останется, понимаете?

Потому что тут - это тут, а там - это там.



Теперь двигателестроение.

Ребята, в области жидкостных ракетных двигателей Россия пока впереди планеты всей. Чудовищный задел, вызванный диспропорцией в развитии ракетной техники в СССР, принес неожиданно хорошие плоды. Даже основанные на технологиях 80-х годов РД-180 до сих пор на Западе считаются уникальными и выдающимися. Разрабатываемый Безосом BE-4, который даже на полной тяге пока что не гонялся - открыто позиционируется в качестве замены РД-180. Естественно, когда-нибудь они его доразработают. Значит ли это, что Запад догонит Россию?

Справедливости ради следует сказать, что собственное двигателестроение в США было, и было сильное. Двигатели для РН Сатурн, для Шаттла, двигатель для РН Дельта-4 - RS-68 - хороши. Однако RS-68 пока не позиционируется для массовой космонавтики, а двигатели для Шаттла и Сатурна серийно не производятся. И причина здесь в том, что двигатели Сатурна и Шаттла создавались под технологии, которые в США уже забыты за давностью, и производства, которых уже нет. Фактически, сделанный на основе двигателя Аполлона Мерлин Илона Маска и BE-4 Безоса, взявшего за основу двигатель Шаттла - это все, что есть и что ожидается серьезного для серийной эксплуатации. Специфика современного ракетного двигателестроения в США проистекает из разделения космонавтики на военную и гражданскую. RS-68, работающий на паре водород-кислород, по определению более дорогой, чем керосин-кислород (и соответственно, менее интересной для коммерческого сектора), он для "вояк" создавался. Там свои собственные критерии, свои технологии, свое отношение к деньгам. Коммерсантам нужны совершенно другие моторы, совершенно иные системы критериев, и пока что в данном смысле более-менее удачным выглядит только Мерлин и только на Фальконе. Косяки тоже бывают удачными.

Если военные или правительственные космические программы определяются серьезными интересами, и значит, допускают маневр в смысле стоимости, работу на оптимальные в техническом отношении параметры - то коммерческие двигатели должны экономить деньги в первую очередь. Тот факт, что двигатели, имеющиеся в распоряжении РФ, и их новые модификации, опираются на старые дешевые технологии, имея конкурентные характеристики даже с проектируемыми в США, говорит о том, что дальнейшая работа по совершенствованию старых или созданию новых двигателей в РФ имеет хорошие перспективы. Опять же, работы в области детонационных двигателей, применимых как минимум в космосе, и возможно - на верхних ступенях ракет-носителей, каковые работы пока что не опираются на промышленный потенциал, а в будущем - будут опираться на возможности уже модернизированной промышленности, дают надежду на качественный скачок в данном вопросе. Модернизация техпроцессов при изготовлении ракетных двигателей также должна принести эффект.

В общем и целом мы наблюдаем ситуацию, когда в США есть технологии, но нет четкого понимания, что нужно. Нет четкого осознания стратегии развития. В РФ, в общем, подходит к моральному концу советское наследство, но есть понимание необходимости линейки двигателей, то есть - необходимость иметь определенный ассортимент двигателей разной тяги на разных топливах, перекрывающих потребности при компоновке носителей. И вот в смысле создания линеек двигателей у РФ дела обстоят намного лучше.

Непреодолимые для СССР в свое время трудности создания однокамерных ЖРД большой мощности подвигли отечественную конструкторскую школу в направлении работы над многокамерными ЖРД. Тот же РД-170 - он четырехкамерный, РД-180 - он двухкамерный, и ничто не мешает спроектировать однокамерную версию, которая, правда, никому не нужна. (В скобках - похоже, что РД-191 как раз такой версией и является, но отсутствие прямых указаний на родство смущает). Поскольку вопрос создания многокамерных ЖРД относится прежде всего к проектированию ТНА, и там еще сложные вопросы надежности, и так далее - для этого нужна конструкторская школа, которой на Западе нет в том виде, в котором она была унаследована Россией от СССР. То есть - именно в создании линеек двигателей, покрывающих значительные диапазоны требований ракетчиков, отечественную школу догнать будет достаточно сложно. Если вообще возможно.

У читателя может сложиться впечатление рекламы отечественной ракетной техники. Дескать - у них Фалькон уже летает, а в России все только будет. Ребята, не расстраивайтесь сильно, но до сих пор ни одна ступень Фалькона не показала заявленных характеристик многоразовости, пока что продемонстрирована только возможность повторного запуска. Причем пока что - опять же - прибыль от запусков не покрыла стоимость НИОКР, даже при том, что Илон Маск брал готовую документацию по двигателям, строил систему посадки на готовой технологии JDAM и так далее. И все равно - даже отобрав себе весь возможный рынок - SpaceX пока не продемонстрировала своей "фишки", пока сидит в минусе, пока что не может развиваться дальше, и учитывая, что она уже опирается на самые современные технологии - у нее отсутствует перспектива роста показателей за счет перехода на более высокотехнологический процесс. Возможно, создание Безосом однокамерника BE-4 решит часть проблем американской космонавтики, но нужно будет еще спроектировать, построить и испытать ракету, и найти для нее нагрузки.

Ситуация с ракетами-носителями как раз и демонстрирует интегрально-экономический характер ракетной техники. То, что хорошо для Маска, нельзя клонировать напрямую в РФ, поскольку это пока либо технологически недостижимо, либо запредельно дорого, либо лишено практического смысла. Опять же - то, что хорошо для РФ, не подходит для США.

Теперь мы переходим к обсуждению многоразовости носителей либо их компонент.

Ребята, нужно понимать одну вещь. Независимо от того, что мы спасаем - только двигатели, или ступень целиком, или даже обтекатель, как пытается Маск - любая система спасения и мягкой посадки является расходной статьей массы. Мы вычитаем тонны из полезной нагрузки, и тратим их на запасы топлива (как у Маска) либо на парашютную систему, либо на крылья. Чтобы вывести один и тот же груз, многоразовая ракета должна быть - безотносительно к недешевым средствам спасения - тупо мощнее, то есть дороже уже в силу более мощных двигателей, более капитальной конструкции и большего запаса топлива. Далее. Ступень может упасть в воду, а может - на камни. Очень маловероятно, что без специальных средств управления полетом ступень приземлится на мягкую поверхность, которая ее бережно примет. Скорее всего, при соприкосновении с поверхностью ступень будет повреждена. Маск использует опоры, но уже несколько раз в месте приземления ракету сдувало с площадки штормом.

Шторм, вмятины и царапины при соприкосновении с поверхностью, слишком большая скорость снижения в момент контакта, приводящая к деформации конструкции - все это враги многоразовости.

По сути своей, стоимость выведения в настоящее время напрямую зависит от энергетических возможностей носителя. Если мы представим себе систему, в которой энергетические возможности, грубо говоря, неограниченны, то есть кратно превышают потребности выведения, то в такой системе, конечно, есть резервы для маневра в атмосфере, с целью выведения ступени в безопасное для приземления в данный момент место, а также для гарантированного погашения скорости до приемлемой. Но пока что этого нет, ребята, пока что 20 секунд удельного импульса отделяют хороший двигатель от не вполне хорошего, понимаете?

Два момента - отсутствие системы спасения с гарантированным ресурсом энергетики и маневра по безопасному приземлению, а также отсутствие пока что реально многоразовой эксплуатационной практики ступеней ракет-носителей, вызывают сомнения в рациональности принципа "спасаем всё". И даже продемонстрированное Маском повторное использование пока что очень далеко от продакшен многоразовости...

Следующим моментом является ресурс многоразовой конструкции, который по определению должен быть выше, чем у одноразовой. Причем, чтобы эксплуатация многоразовой конструкции имела смысл, ее ресурс должен быть минимум на порядок выше - учитывая стоимость системы спасения и затраты по весовому совершенству. Существует такая теория, что использование современных материалов дает возможность построения одноразовых носителей с высочайшим весовым совершенством. Тот же Фалькон в одноразовом варианте имеет показатели, которые делают его эксплуатацию - причем именно в одноразовом варианте - весьма и весьма привлекательной. Опять же, проектирование одноразовых конструкций весьма хорошо освоено, в то время, как проектирование многоразовых, ориентированное на сохранение ресурса в несравненно более широком диапазоне условий (взлет-снижение-контакт с поверхностью вместо просто взлета) пока что практически не освоено в системном плане. Существует ненулевая вероятность того, что в практически значимых вариантах грузоподъемности, то есть таких, в которых возможности ракеты и потребности заказчика наиболее совпадают, и потому ракета максимально раскрывает свои возможности, при наличии унифицированной, а значит серийной, технологии изготовления на потоке - одноразовые дешевые ракеты дадут более привлекательную в коммерческом плане картинку. Ну то есть делается модельный ряд ракет на основе одной конструкции, типа как в градланской авиации. 737-100, 737-200, 737-400...

В любом случае человечество входит в тот период, когда от вопроса "хочется, но нет возможностей" мы плавно переходим к вопросу "хочется, но имеет ли смысл", и нужно понимать, что этот вопрос решается на волюнтаристским образом, одним волевым решением - а оказывается намертво завязан на текущий уровень развития технологий, на состояние экономики, на ценовую доступность и распространенность применяемых решений. Построить уникальную ракету можно прямо сейчас, но гораздо разумнее построить ракету, которая будет иметь экономическую актуальность, идеологическое совершенство и практическую оправданность значительно большее количество времени.

Ракета не должна требовать для себя особых решений - она должна вписываться в общую техническую и экономическую ситуацию, и пример королёвской семерки, которая далеко не рекордная по показателям ракета, но которая в то же время оказалась идеальным решением в 1990-2010-х годах для РФ, тому живое свидетельство.

В качестве примера того, что работа на перспективу идет, хочу предложить вам посмотреть на российский проект "Корона".



Одноступенчатая (то есть с полным спасением) система для выведения нагрузки на НОО, ресурсом в 100 запусков, оригинальным двигателем внешнего расширения (вангую прибавку тяги от донного эффекта в плотных слоях атмосферы) и нестандартным расположением грузового отсека представляется весьма интересной. Пассив, в общем, обычный - материалы, ресурс. Однако в отличие от Фалькона, ступени которого летят по баллистической траектории, и приземляются на ограниченной территории без возможности существенно отклониться от предполагаемого места и времени посадки, "Корона" целиком выходит на орбиту, и если условия являются неподходящими, может переждать непогоду, либо сесть на запасную площадку. Минусом проекта является большой поперечный габарит системы, в связи с чем накладываются ограничения на пути наземного сообщения между посадочными площадками и стартовой позицией, для возвращения носителя к месту обслуживания.

Есть ли у Короны будущее - тут я каламбурю - будущее покажет.

Ну и последний вопрос. Говоря об отечественной космонавтике, я непрерывно говорю о российской, хотя являюсь гражданином Украины. Почему так? Ребята, так получилось, что ракетная отрасль - это интегральная от экономики и промышленности штука. Украинское ракетостроение - КБ "Южное" и "Южмаш" - изначально создавались в рамках союзной производственной кооперации и интеграции. И только в контексте данной кооперации и интеграции имеют смысл. Ни Европа, ни США не нуждаются в украинских услугах, и даже "ведро", простите, "канистра", простите - баки ступени носителя Антарес, разработанные и строящиеся для США - это, в общем, картины не меняет. Тем более, что использующая российские двигатели ракета, судя по всему, в ближайшие годы уйдет с рынка по политическим соображениям. Поскольку ракетостроение есть интегральный агрегатор производственного и экономического потенциала, перспективы Украины в данном вопросе гораздо хуже, чем у России, но если Россия развивается, то Украина деградирует - и в плане производства, и в плане технологии, и в плане экономики.

Развитие украинской космонавтики без интеграции с российской космической программой нереально в принципе, это системное требование, понимаете? И отделять украинскую космонавтику, и украинское ракетостроение от российского, может либо полный дилетант, либо конченный идиот, либо совершенный циник и лжец.

Вот такие вот у нас пироги с многоразовыми ракетными системами, ребята...
Tags: Автостоп и дальнобой в космосе
Subscribe

  • Маленькое едкое замечание...

    Мы с вами уже разбирали убийство Кеннеди. И пришли к выводу, что его убил никакой не советский агент из КГБ, а американский педераст из Далласа.…

  • В пространство

    По-моему, кто-то поймал клин, и это точно не я...

  • ...а водителем у него - Путин...

    Мдям. Это я к чему... Хорошее видео, я сильно смеялся. Ребята, вторжение посторонних лиц на сессию горсовета, в смысле - вторжение…

promo bigdrum february 17, 2019 22:31 6
Buy for 10 tokens
На мейл-ру пролетела очередная "желтая" новость, коих не счесть. Касательно контактов с инопланетянами. В силу чего, втыкая по причине небольшой эмоциональной раздолбанности, я вот тут вдруг решил взять и откомментировать это дело. Да, ребята! МЫ БУДЕМ ГОВОРИТЬ ОБ НЛО, ПРИШЕЛЬЦАХ…
  • 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 

  • 8 comments