Эта статья сделана по мотивам и просьбам следующего комментария:
Охота за обтекателями
На данный момент цена обтекателей для ракет около 5-7 миллионов долларов. Многие задаются вопросом: А почему так дорого? Ведь это просто кусок металла для защиты. Это не совсем так, это не просто кусок металла, хотя и сделана эта конструкция для защиты полезной нагрузки.
Начнем с малого. Каждый килограмм обтекателей уменьшает вес полезной нагрузки. Поэтому используются легкие композиты с усилением конструкции легкими сплавами, обычно это сплавы алюминия. Конструкция напоминает собой соты (isogrid). Вес обтекателя Falcon 9 с диаметром 5.2 метра около 1.9 тонны.
К выбору материала также подходят с особой тщательностью, ведь обтекатель должен защищать от набегающего потока воздуха, от EMI излучения, от перепадов температуры, от прочих вибраций и механических воздействий на ПН. Например Falcon Heavy проходит звуковой барьер примерно на высоте 10 км, и потом разгоняется до 7-8 махов (2-3км/с). На данных высотах воздух все ещё достаточно плотный и происходит сильный разогрев обтекателя с быстрым охлаждением в верхних слоях атмосферы. Колебания температуры могут быть от 100С до -100С в коротком промежутке времени (около минуты). Поэтому материал должен быть устойчивым к быстрым перепадам температуры.
На примере головного обтекателя ракеты рассмотрим воздействие на него аэродинамического нагрева. На рисунке показано изменение конвективного теплового потока в носовой части обтекателя, возникающего при торможении газового потока вблизи обтекаемой поверхности.
Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на следующем рисунке
Как видно из рисунка, температура носовой части ГО превышает допустимую рабочую величину для алюминиевых сплавов. Поэтому на наружную поверхность носовой части ГО наносят ТЗП из асбопластика или стеклопластика на фенольном связующем:
Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке:
Из рисунка видно, что и в обшивке и в продольном силовом наборе (стрингерах) рабочая температура в течение полета находится в допустимых пределах. Однако для КА, находящегося внутри ГО, тепловой поток от конструкции обтекателя может быть недопустимым, в следствие чего необходима теплоизоляция нагретой конструкции от внутренней полости ГО.
Устройство такой теплоизоляции (ТИ) показано на рисунке:
Это нужно для поддержания температуры 10-30С для КА под обтекателем.
Так-же обтекатели должны иметь возможность вентиляции, чтобы в процессе выхода в космос уравнивать давление внутри отсека чтобы обтекатель не разрушило раньше времени изнутри.
Ещё одна сложность в том, что обтекатели должны открываться идеально чтобы не повредить ПН и ступени ракет под ними на скорости около 3-4 км/c То есть должен быть специальный механизм отделения обтекателей от ПН без повреждения полезной нагрузки и ступени под ней. Хорошее видео теста обтекателей Space X в вакуумной камере в Исследовательском институте Гленн, НАСА:
Для осуществления открытия обтекателя и для разделения ступеней в целом существует система разделения.
Система разделения (СР) предназначена для отделения и увода с траектории выведения отработавших ступеней, а также для отброса элементов конструкции, выполнивших свое функциональное назначение. Конструктивные элементы СР до срабатывания должны обеспечивать целостность конструкции РН и восприятие всех нагрузок. Срабатывание элементов СР осуществляется очень быстро, вследствие чего на борту оказываются источники быстро высвобождающейся энергии (взрывчатое вещество, аккумуляторы давления, пружины и т.д.). После срабатывания разрывных элементов происходит сложная динамика относительного
движения. В состав СР входят агрегаты, узлы и механизмы, обеспечивающие:
— надежное соединение разделяющихся частей и разрыв силовых связей,
— разведение разделяющихся частей.
К первой группе относятся пирозамки, пироболты пневмозамки, механические замки, оболочечные элементы с линейными детонирующими зарядами. Разведение обеспечивают толкатели (пневмо, пиро, пружинные), сопла для газов наддува, тормозные РДТТ, тяга двигателей.
Пироболт системы разделения:
Линейный детонирующий снаряд:
Расположение СР на обтекателе China Great Wall Industry Corporation:
Дополнительная сложность заключается в размере обтекателей. Он составляет примерно 15 метров на 5 метров. В него спокойно может поместиться городской автобус. Для изготовления обтекателей из металла используются специальные большие станки с ЧПУ или очень большие автоклавы в случае использования композитов. Данные процессы очень ресурсоёмкие и занимают достаточно много времени. Автоклав компании Boeing:
Ну и нужно не забывать что после сборки обтекатель должен пройти серьезную проверку так как от него зависит выживаемость ПН в процессе запуска. Стоит помнить, что как и в случае с дефектами с ракетой, дефект в обтекателе приведет к потере ПН и провалу миссии уже после старта ракеты, когда отменить запуск нельзя.
Человек на фоне обтекателя для сравнения размеров:
Схема обтекателя:
Иногда при запуске тонких инструментов от обтекателей требуется создание и поддержание атмосферы чистой комнаты внутри отсека. Это накладывает дополнительные сложности при проектировании обтекателей и способствует увеличению цены.
Update
Добалена дополнительная информация.
Охота за обтекателями
На данный момент цена обтекателей для ракет около 5-7 миллионов долларов. Многие задаются вопросом: А почему так дорого? Ведь это просто кусок металла для защиты. Это не совсем так, это не просто кусок металла, хотя и сделана эта конструкция для защиты полезной нагрузки.
Начнем с малого. Каждый килограмм обтекателей уменьшает вес полезной нагрузки. Поэтому используются легкие композиты с усилением конструкции легкими сплавами, обычно это сплавы алюминия. Конструкция напоминает собой соты (isogrid). Вес обтекателя Falcon 9 с диаметром 5.2 метра около 1.9 тонны.
К выбору материала также подходят с особой тщательностью, ведь обтекатель должен защищать от набегающего потока воздуха, от EMI излучения, от перепадов температуры, от прочих вибраций и механических воздействий на ПН. Например Falcon Heavy проходит звуковой барьер примерно на высоте 10 км, и потом разгоняется до 7-8 махов (2-3км/с). На данных высотах воздух все ещё достаточно плотный и происходит сильный разогрев обтекателя с быстрым охлаждением в верхних слоях атмосферы. Колебания температуры могут быть от 100С до -100С в коротком промежутке времени (около минуты). Поэтому материал должен быть устойчивым к быстрым перепадам температуры.
На примере головного обтекателя ракеты рассмотрим воздействие на него аэродинамического нагрева. На рисунке показано изменение конвективного теплового потока в носовой части обтекателя, возникающего при торможении газового потока вблизи обтекаемой поверхности.
Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на следующем рисунке
Как видно из рисунка, температура носовой части ГО превышает допустимую рабочую величину для алюминиевых сплавов. Поэтому на наружную поверхность носовой части ГО наносят ТЗП из асбопластика или стеклопластика на фенольном связующем:
Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке:
Из рисунка видно, что и в обшивке и в продольном силовом наборе (стрингерах) рабочая температура в течение полета находится в допустимых пределах. Однако для КА, находящегося внутри ГО, тепловой поток от конструкции обтекателя может быть недопустимым, в следствие чего необходима теплоизоляция нагретой конструкции от внутренней полости ГО.
Устройство такой теплоизоляции (ТИ) показано на рисунке:
Это нужно для поддержания температуры 10-30С для КА под обтекателем.
Так-же обтекатели должны иметь возможность вентиляции, чтобы в процессе выхода в космос уравнивать давление внутри отсека чтобы обтекатель не разрушило раньше времени изнутри.
Ещё одна сложность в том, что обтекатели должны открываться идеально чтобы не повредить ПН и ступени ракет под ними на скорости около 3-4 км/c То есть должен быть специальный механизм отделения обтекателей от ПН без повреждения полезной нагрузки и ступени под ней. Хорошее видео теста обтекателей Space X в вакуумной камере в Исследовательском институте Гленн, НАСА:
Для осуществления открытия обтекателя и для разделения ступеней в целом существует система разделения.
Система разделения (СР) предназначена для отделения и увода с траектории выведения отработавших ступеней, а также для отброса элементов конструкции, выполнивших свое функциональное назначение. Конструктивные элементы СР до срабатывания должны обеспечивать целостность конструкции РН и восприятие всех нагрузок. Срабатывание элементов СР осуществляется очень быстро, вследствие чего на борту оказываются источники быстро высвобождающейся энергии (взрывчатое вещество, аккумуляторы давления, пружины и т.д.). После срабатывания разрывных элементов происходит сложная динамика относительного
движения. В состав СР входят агрегаты, узлы и механизмы, обеспечивающие:
— надежное соединение разделяющихся частей и разрыв силовых связей,
— разведение разделяющихся частей.
К первой группе относятся пирозамки, пироболты пневмозамки, механические замки, оболочечные элементы с линейными детонирующими зарядами. Разведение обеспечивают толкатели (пневмо, пиро, пружинные), сопла для газов наддува, тормозные РДТТ, тяга двигателей.
Пироболт системы разделения:
Линейный детонирующий снаряд:
Расположение СР на обтекателе China Great Wall Industry Corporation:
Дополнительная сложность заключается в размере обтекателей. Он составляет примерно 15 метров на 5 метров. В него спокойно может поместиться городской автобус. Для изготовления обтекателей из металла используются специальные большие станки с ЧПУ или очень большие автоклавы в случае использования композитов. Данные процессы очень ресурсоёмкие и занимают достаточно много времени. Автоклав компании Boeing:
Ну и нужно не забывать что после сборки обтекатель должен пройти серьезную проверку так как от него зависит выживаемость ПН в процессе запуска. Стоит помнить, что как и в случае с дефектами с ракетой, дефект в обтекателе приведет к потере ПН и провалу миссии уже после старта ракеты, когда отменить запуск нельзя.
Человек на фоне обтекателя для сравнения размеров:
Схема обтекателя:
Иногда при запуске тонких инструментов от обтекателей требуется создание и поддержание атмосферы чистой комнаты внутри отсека. Это накладывает дополнительные сложности при проектировании обтекателей и способствует увеличению цены.
Update
Добалена дополнительная информация.
extruder676
Весьма познавательно, спасибо. Правда выглядит слегка незавершенно.
chelios
Потому что информация взята из одного вопроса на сайте quora.com.
Nubus Автор
Нет. Вообще информации мало по этой теме в англоязычной среде. Специально искал механизмы раскрытия обтекателей, есть научные работы, но для доступа к ним нужно платить.
Belking
>> Вообще информации мало по этой теме в англоязычной среде
Наверное, в этом кроется основной секрет такой цены: само их производство достаточно сложно.
За статью спасибо, было приятно прочитать. Она в нужной мере познавательная, дает представление в нужном объеме и прилично полнее, чем «перевод той заметки, ссылка на которую была в комментарии, на которую идет отсылка в начале статьи» (отдельное спасибо за ссылку на мой комментарий, если бы не узнал об этом уже когда в местные комменты полез после прочтения)) ), а тем кто так говорит, хотелось бы сказать следующее:
Andy_Big
Знание правильных вопросов — это уже половина ответа. Как пример — добавленная в статью информация по температурам на поверхности обтекателя во время полета. Я бы не догадался спросить о ней, т.к. почему-то был уверен, что там происходит нагрев до 100-150 градусов, ничего интересного. А оказывается аж до 500 градусов — неожиданный для меня и интересный факт.
Bedal
Тогда раскрою вопрос шире :-)
Для понимания температуры на передней кромке (на носке обтекателя) полезно усвоить понятие «температура торможения». Температура, по определению, есть мера средней кинетической энергии молекул. Соответственно, при известной молекулярной массе можно однозначно сопоставить температуру и скорость.
Когда летательный аппарат рассекает воздух — его, воздуха, молекулы налетают на переднюю кромку со скоростью полёта аппарата.
Таким образом, из скорости полёта можно вывести и температуру торможения на кромке/носке. Для 3000км/час это примерно 300°. Фактически будут, конечно, отличия, связанные с исходной температурой воздуха, отводом тепла и т.д. Но определяющей, задающей величиной является именно температура торможения.
scorpius_13
Вот тут посмотрите, начиная со страницы 352.
zerg59
Есть сравнительно много информации на сайте ХАИ. Причём на русском. duckduckgo.com/?q=%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B9+%D0%BE%D0%B1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C+%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BD+site%3Awww.khai.edu&t=ffocus&ia=web
zerg59
На researchgate есть текст к примеру:
www.researchgate.net/publication/295092873_Proektirovanie_golovnyh_obtekatelej_raket-nositelej_iz_polimernyh_kompozicionnyh_materialov_pri_odnovremennom_teplovom_i_silovom_vozdejstviah_Designing_nose_cones_of_carrier_rockets_from_polymeric_com
oren
Понадеялся прочитать статью про космонавтику, а тут пустышка с ключевиком «фалкон хеви».
Очень жаль.
Nubus Автор
Не минисуйте сильно автора. Этот комментарий был до апдейта статьи.
GuessWho
Вот тут есть еще очень интересные фотографии куска обтекателя: imgur.com/a/0bo6s
nomadmoon
Так в итоге — сколько весит этот нанотехнологичный обтекатель?
Nubus Автор
Примерно две тонны для Space X Falcon 9 с диаметром 5.2 метра. Точнее цифр не нашел
omega-hyperon
Так это только для Falcon-9 нет точных данных. Для Ариан-5 и Атлас-5 массы указаны с точностью до килограммов в их руководствах пользователя:
www.arianespace.com/wp-content/uploads/2011/07/Ariane5_Users-Manual_October2016.pdf — на 24-й странице
www.ulalaunch.com/docs/default-source/rockets/atlasvusersguide2010.pdf — на 25-й и 26-й
У Атласа-5 он на данный момент самый большой по длине из используемых — 26,5 метров в максимальной конфигурации.
Про вентиляцию в статье несколько некорректно сказано. Описанное там — это для дренаж для выравнивания давления внутри обтекателя с внешней средой. А так он обычно у большинства ракет-носителей вентилируется воздухом для поддержания теплового режима космического аппарата. На ГО 14С75 РН «Протон-М» помимо воздушного термостатирования используются еще и жидкостное — на внутренней поверхности ГО размещены специальные теплообменники. На этой фотографии они довольно хорошо видны:
Впрочем, у этого ГО довольно сложная система поддержания теплового режима относительно других.
Также можно упомянуть и про такую особенность ГО, как необходимость полностью покрывать не только полезную нагрузку с переходной системой, но и разгонный блок, как, например это требуется для РБ «Бриз-М» или РБ «Фрегат». Ну или как требуется для РБ «Центавр» на Атласе-5. Там ситуация еще веселее, так сам РБ не только криогенный, но еще и с водородом в качестве горючего, что требует дополнительных мер в области пожаровзрывобезопасности.
Andy_Big
За статью спасибо, но как-то это все не то. Похоже, что это перевод той заметки, ссылка на которую была в комментарии, на которую идет отсылка в начале статьи. Плюс немного дополнительного материала из комментариев к той заметке.
К сожалению, это немного не то, что хотелось бы почитать про обтекатели. Здесь только общие слова "они дорогие потому что их изготовление обходится дорого и применяются дорогие материалы". Это, в общем-то, и так понятно :)
А хотелось бы как раз технических подробностей — и про материалы, и про их специфику, и про механизм разделения. На фотографиях внутренней части обтекателей можно увидеть, что там и жгуты проводов, и какая-то пневматика или гидравлика, и что строение этих обтекателей выглядит изнутри довольно сложным (и разным в разных случаях). То есть это же не просто дорогая скорлупа, наверняка она еще и напичкана разными достаточно высокотехнологичными устройствами.
Nubus Автор
К сожалению у меня нет доступа к внутренним ресурсам компаний изготавливающих обтекатели. Даже элементарно чтобы взять фотографию автоклава из Boeing нужно постараться. По обтекателям информации меньше чем по двигателям (
Andy_Big
Ну вот после добавления информации по рабочим температурам обтекателя и по системам разъединения статья уже стала выглядеть гораздо интереснее. Большое спасибо :)
GeMir
Nubus Автор
А теперь вставьте ее в статью :)
Nubus Автор
.
scorpius_13
Я бы сюда добавил, что например, ГО 14С75 с переходной системой для РН «Протон-М» на сегодняшний день стоит примерно $3,8 млн, или примерно $3,3 млн. за сам обтекатель.
А ГО 14С737 для РН «Союз» стоит примерно $1,75 млн.
nickName0
Гос.монополия (на производство, и технологию изготовления) — причина столь высокой цены.
А как организуются работа комиссии, что расследует критичные сбои/неполадки — это отдельная тема.
Работал в организации, что занимается изготовлением систем зажигания для авиации и космоса, потому — знаю, насколько серьёзно держат в секрете даже элементарные детали (технологии изготовления, ТТХ отдельных элементов конструкции РН).
Хотя, если человек не забанен в гугле, процентов 75 — он может найти и в открытых источниках.
agat000
Ну вот сейчас экспериментируют с возвратом ГО, возникает вопрос с её многоразовостью. В существующем виде она способна на повторные пуски? Или можно будет делать более дорогую но много разовую систему? Например титановую сразу
Nubus Автор
Вес, вес и ещё раз вес. Титановая будет прочнее, но в разы тяжелее. Сам обтекатель не особо раскокаешь если аккуратно, на него бОльшие нагрузки идут во время пуска.
smartly
А можно уточнить, что значит «аккуратно раскокать обтекатель»?
zapimir
Ну можно более активно бериллиевые сплавы использовать.
Kazancev
IMHO, нехватает картинки с распределением поля давления.
Serge78rus
Gozdi
Стрингеры на чпу, оболочка из композита.
voyager-1
RUAG использует для своих обтекателей углеволокно покрытое пластиком, SpaceX — алюминий покрытый углеволокном (видимо из того же алюминий-литиевого сплава что и обе ступени). Собственно с учётом того что продукция RUAG используется в Ариан-5, Веге и Атласах — это уже 35% от всех запусков.
Gozdi
все же RUAG Space fairings are built in composite technology based on aluminum honeycomb cores with carbon fiber reinforced plastic face sheets
DrPass
Интересно, спасибо, но ответа на главный вопрос все равно нет. Стоимость в несколько миллионов долларов была бы адекватной, если бы включала НИОКР всего перечисленного в статье. Но сейчас-то идет, по сути, мелкосерийное производство обтекателей. Конструкция отлажена и обкатана, вносятся только текущие улучшения. Каких-то значимых количеств редкоземельных металлов или других дорогих материалов там тоже нет. Как мне кажется, в этих миллионах долларов себестоимости куда больше зарплат дорогих специалистов запрятано, чем непосредственно производственных расходов.
unclejocker
Как пример — запрятана амортизация тех самых станков и автоклавов и зарплата тех кто с ними умеет работать.
Nordosten
Посмотрите на формулу один — там комплект в карбоновых частей на сезон стоит миллионы. Это трудозатратный и длительный процесс. Плюс автоклавы для выпекания очень дорогие.
numitus2
По рассказу все равно не ясно откуда такая стоимость. Как мне кажется головной обтекатель это самая низконетхнологичная часть ракеты, почему тогда она стоит 10% её стоимости? Ведь есть еще двигатели, система управления и сам корпус.
numitus2
Для сравнения. Стоимость 1 двигателя 1.5 млн долларов А полная стоимость 1 ступени. 29.0млн долларов.
Belking
Стоимость 1 двигателя 1.5 млн долларов, вес 1 двигателя — 450-490 кг. (возьмем верхнюю границу), 1 500/500 = 3 тыс.долларов/кг. Просто их 9 — 13,5 млн.долларов.
Стоимость обтекателя — 6 млн. долларов, вес — 1,5 тонны = 4 тыс.долларов/кг.
И то, и другое — сложные инженерные устройства. И то, и другое требует сложных процессов при изготовлении. Но у двигателя, опять же, и сам металл, насколько я знаю, проще.
Gozdi
немного свежих, годных файлов от RUAG по системам разделения
и крупные фотографии интересных элементов внутри обтекателя находятся.
Nordosten
RUAG обещали тесты системы спасения ГО в 2017-2018, но пока ничего не слышно.
Nordosten
На rocketbuilder.com разница между короткими 4м и 5м головными обтекателями составляет $11 миллионов, даже учитывая разную стоимость интеграции, сам ГО стоит очень дорого.
vasili111
А какова цена топлива одного запуска?
vedenin1980
В инете нашел, что полная заправка Falcon 9 стоит 200 тыс. $, с учетом стоимости производства и цены запуска — мизер.
Cybertrn
В обсуждениях неоднократно фигурировала цифра 200 000$ для Falcon-9 (~156т RP-1 и 362,6т LOX для первой и второй ступеней суммарно)
NIKOSV
Статья слишком длинная, нужно больше сокращений и аббревиатур типа ГО, КА, ПО, ПН, РН, ТП, ЧПУ, и т.д.
Не, ну реально, подача материала как в советских учебниках. Можно же избежать этих инженерных терминов и повысить читабельность материала:
полезная нагрузка (ПН) — груз
ракета носитель (РН) — ракета
и т.д.
Norno
Нет, не стоит, есть общеупотребимые термины, и их следует по возможности придерживаться, тем более что данная статься изначально имеет цель более глубокого погружения читателя в тему.
И… вас устраивает что в статье есть схемы распределения нагрева по головному обекателю, чертежы пироболтов, но смущает термин полезная нагрузка? серьезно?
black_semargl
Собственно, обтекатель от СпейсХ
