В реальности же дерзнувшего с равной вероятностью испепелит и размотает до винтиков весьма интересными эффектами планетной атмосферы, если он не предпримет заранее особые меры. Я постараюсь вам рассказать, как на самом деле решались две важнейшие задачи суборбитальной космонавтики — теплозащиты и аэродинамики — на примере испытательных прототипов проекта «Буран» — беспилотных орбитальных ракетопланов БОР-4 и БОР-5.
БОР-4
БОР-4 и проектирование теплозащиты
Как я уже говорил в прошлых своих статьях про «Спираль», при конструировании многоразовых космических кораблей ключевым вопросом остаётся создание достаточно эффективной теплозащиты, которая сможет предотвратить перегрев конструкции корабля и при этом не ухудшит его аэродинамические характеристики. Для небольших кораблей вроде советской «Спирали» вполне допустимо использование схемы «горячей конструкции». Я уже объяснял, что это, когда рассказывал об этом проекте, однако напомню кратко — горячая конструкция основана на принципе переизлучения тепла от горячих зон поверхности корабля на менее нагретые элементы. В случае «Спирали»для этого также используется пространственная ферма, которая, используя тепловое расширение, рассеивает нагрев, охлаждая всю конструкцию.
Однако для больших кораблей такая схема неприменима, так как она пожирает всё доступное ей свободное пространство, при этом усложняясь и требуя применения жаропрочных сплавов. Хуже того, площадь теплозащитного экрана (ещё одного важного элемента горячей конструкции, принимающего на себя основную тепловую нагрузку) растет пропорционально квадрату линейных размеров машины, а его масса — пропорционально их кубу!
Следовательно, для «Бурана» необходимо было применять обычную самолётную конструкцию из «холодных» материалов, не рассчитанных на высокие температурные нагрузки. К ним добавлялось теплозащитное покрытие, которое должно было одновременно обеспечивать приемлемый нагрев фюзеляжа и внутренних силовых конструкций корабля, одновременно будучи максимально ровным, чтобы воздух обтекал машину максимально спокойно, не образовывая завихрений. Такое обтекание ещё называют ламинарным. Ламинарное обтекание позволяет снизить температуру поверхности ещё на 150-200 градусов, что критически важно, поскольку эти градусы «выигрываются» в температурном диапазоне 1500-1700 градусов, в котором находятся пределы прочности основных конструкционных материалов. Применяются и другие ухищрения, основанные на переизлучении тепла и реакциях на атомарном уровне.
Если предельно упростить, то происходит следующее. Корабль, входя в атмосферу, сталкивается со встречным потоком воздуха, состоящим из молекул азота и кислорода. Перед лобовой поверхностью идущего на гиперзвуковой скорости корабля создаётся ударная волна, встречный поток в ней резко тормозится до дозвуковой скорости. При этом кинетическая энергия этого потока частично тратится на нагрев встречного потока (то есть происходит переход кинетической энергии в тепловую), а частично — на разрыв молекул азота и кислорода. При этом получившийся поток осколков молекул воздуха уже частично охлаждается (тепловая энергия переходит в так называемую энергию диссоциации). Потом этот поток наталкивается на «холодную» относительно ударной волны поверхность корабля, молекулы вновь соединяются, и выделившаяся при этом энергия нагревает эту самую поверхность. При этом скорость «сборки» молекул (научно этот процесс называется рекомбинацией) зависит от свойств поверхности, на которой она происходит. Это влияние называется каталитичностью. И если рекомбинацию замедлить достаточно, то она пройдёт не на наиболее нагретых лобовых кромках, а дальше. Грамотное использование каталитичности позволяет выиграть несколько сотен градусов в самых горячих зонах: на носовом коке (300-400 градусов), кромках крыла и нижних поверхностях крыла и фюзеляжа (ещё около 100 градусов).
Советские конструкторы пользовались данными о Space Shuttle, но также и собственными наработками. Учитывая, что в различных зонах поверхности огромного корабля ожидались различные температуры, предстояло разработать и различные типы теплозащитных покрытий, доселе в СССР не существовавших. Для наиболее горячих зон (носовой кок, передние кромки крыла, температура 1250-1650 градусов) был создан углерод-углеродный материал «Гравимол-В», состоящий из различных видов пластиков и углепластиков, дополненных пироуглеродами или особым песком и защитными покрытиями. Этот материал очень плотный, поэтому невозможно полностью покрыть им корабль, потому что тогда масса покрытия составила бы 40 тонн в случае «Бурана»! Поэтому в менее горячих зонах применялись различные типы керамических плиток из волокон двуокиси кремния и аморфного кварца, а также матов из более дешёвых и простых в изготовлении термостойких волокнистых материалов.
Конечно, наземные испытания в аэродинамических трубах позволяли провести определённые эксперименты, однако настоящая проверка была возможна только при орбитальном полёте. Помня об опыте аппаратов БОР, использовавшихся для испытаний Спирали, в НПО Молния приняли решение построить небольшой беспилотный аппарат, на котором можно было бы изучить и каталитичность, и работу плиток, и различные варианты их раскроя (то есть способа наклейки плиток на машину).
Частично собранный БОР-4
Так появился БОР-4. Конечно, в его задачи входило не только испытание теплозащиты, однако именно это было главной целью всей программы. При проектировании учитывался опыт первых беспилотных орбитальных ракетопланов, однако распространённое в ряде источников мнение о том, что БОР-4 — это адаптированная под «Буран» копия «Спирали» неверно. На самом деле в НПО Молния и ЦАГИ рассчитывали в первую очередь на то, чтобы проверить, как себя будут распределяться тепловые потоки на носу и первых рядах теплозащитных плиток «Бурана» на гиперзвуковых скоростях.
Лозино-Лозинский поставил задачу полного соблюдения тепловых потоков на носовую поверхность «Бурана» и БОРа-4 в наиболее теплонапряженной траекторной точке, которая для орбитального корабля располагалась на высоте чуть ниже 70 км при скорости М= 23. Расчет Лозино-Лозинского был прост: если удастся проверить теплозащиту в «бурановской» натурной траекторной точке с максимальными тепловыми потоками, то для всех других участков траектории можно уже не беспокоиться. Сложность задачи была в том, что для получения таких же тепловых потоков в той же самой точке траектории модель меньшего размера не могла иметь просто масштабно уменьшенную форму орбитального корабля — в этом случае из-за свойств вязкости воздушного потока не удалось бы достичь полного аэродинамического подобия.
В.Лукашевич, И.Афанасьев, «Космические крылья»
Многодневные поиски решения задачи привели к простой и оттого гениальной находке. Заместитель начальника ЦАГИ Владимира Нейланд и заместитель главного конструктора НПО «Молния» по аэродинамике Евгений Самсонов решили взять за основу простой советский натурный нос «Бурана» и добавить к нему заднюю часть, способную к самобалансировке. Именно таким свойством обладали БОРы, построенные для «Спирали», а потому Самсонов, знавший о тех работах, смог довольно быстро уже имевшиеся расчёты адаптировать под нос «Бурана». Его имитировала сфера такого же радиуса. Именно поэтому БОР-4 внешне схож со Спиралью, хотя на самом деле не имеет к ней никакого отношения, как не имеет прямого отношения к БОР-1, -2 и -3.
Конструктивно-компоновочная схема БОРа-4: 1 — носовой теплозащитный обтекатель из жаропрочного углерод-углеродного композитного материала «Гравимол»; 2 — электрохимический источник тока (аккумулятор); З — топливный бак для газореактивных ЖРД с компонентами топлива азотный тетраоксид + несимметричный диметилгидразин (АТ+НДМГ); 4 — парашютная система спасения; 5 — блоки автономной бортовой системы управления (и навигации); 6 — блоки радиотелеметрической системы; 7 — научная аппаратура; 8 — силовой привод поворотных консолей крыла; 9 — поворотные (складывающиеся) консоли крыла; 10 —хвостовой стабилизатор (киль); 11 — два блока (по два ЖРД) двигателей газореактивной системы для управления по крену; 12 — центральных блок из четырех газореактивных ЖРД для управления по тангажу и рысканью; 13 — хвостовой силовой шпангоут, которым аппарат крепится к последней ступени ракеты-носителя; 14 — двигательная арматура.
Конструкционно БОР-4 похож на своих предшественников, однако для нас важно устройство его теплозащиты. Снаружи на корпус аппарата сперва наносилась абляционная (то есть уносимая) теплозащита. Её задача состояла в том, чтобы защитить машину на случай прогара теплозащиты экспериментальной, то есть пресловутых плиток и «Гравимола». Абляционная теплозащита устанавливается на одноразовые космические корабли, поскольку она, обычно, способна выдерживать большие температуры. Однако работает она за счёт того, что при нагреве происходит её расплавление и частичный унос потоком с корпуса. Благодаря этому корпус корабля меньше подвергается нагрузкам. Однако такая защита обычно может выполнить свою задачу лишь единожды и после этого не подлежит восстановлению.
Имитация предполетных испытаний БОРа-4 в криотермовакуумной барокамере НПО «Молния» при съемках фильма «Космическая Спираль» для «Первого канала», март 2007 г. БОР-4 размещен на подвижном лафете, который подается внутрь барокамеры по рельсовым направляющим. Именно так в 1980-х годах и проходили предполетные испытания всех аппаратов БОР-4 и БОР-5.
Самый первый БОР-4 (а точнее БОР-4С) плиток не получил и в своём полёте повторял программу полётов БОР-3. Это был суборбитальный полёт, в котором проверялась управляемость машины и правильность конструкторских решений. Остальные четыре машины получили плитки и совершили полноценные орбитальные полёты. И вот о том, как происходили сами эти полёты, мы поговорим завтра.
БОР-5 и аэродинамические испытания
Второй необходимой для отработки задачей была аэродинамика «Бурана». Для её проверки уже необходимо было строить аппарат, аэродинамически подобный орбитальному кораблю. Им стал БОР-5. По ряду причин было принято решение работать с масштабом 1:8. Однако даже в этом масштабе всё равно не удавалось полноценно уместить аппарат на имеющуюся ракету-носитель — он попросту имел слишком большой размах крыла. Машину в итоге упрятали в обтекатель, но конструкторы всё-таки рассчитали такой переходный отсек между ракетопланом и РН, что выходящие за габарит крылья оказывали минимальное влияние на полёт. Считалось, что такая схема мало того, что упростит и удешевит проект, но и поможет при проектировании будущей лёгкой многоразовой космической системы. Запомним этот момент.
Исходя из этих цифр можно понять различие в задачах между БОР-4 и БОР-5
Не буду углубляться в конструктивные особенности БОР-5, отмечу лишь самые важные моменты.
Во-первых, ракетоплан оснастили абляционной теплозащитой. Связано это было с уменьшением размера аппарата. Дело в том, что у настоящего «Бурана» теплозащита кромок крыла и так работала на пределе своих возможностей, а на уменьшенной модели кромки становились ещё тоньше, что повышало температурные нагрузки, а потому углерод-углеродные материалы уже просто не справились бы. Теплозащита была выполнена из материала МСП-К на основе кварцевого волокна и хром-алюминий-фосфатного связующего (минерального стеклопластика). Начиная с третьей машины она была дополнена элементами из вольфрамо-молибденового сплава (для самых горячих зон) и радиопрозрачными элементами из стеклопластика с кремнеземным наполнителем. Кроме того, ограничили максимальную скорость и высоту полёта.
Во-вторых, аппарат, аэродинамически подобный «Бурану», имел даже имитаторы мотогондол (в них располагались приборные отсеки) для реактивных двигателей для полётов в атмосфере. Вообще по-возможности систему управления максимально приближали к бурановской. Всё это сыграло свою роль в ходе полётов.
Всего полётов было пять. Первый завершился оглушительным провалом — БОР-5 №501 был потерян и не выполнил своих задач (а ведь это были лётно-конструкторские испытания).
Аппарат не отделился от ракеты-носителя <…>. Разделение БОРа-5 и ракеты не произошло из-за досадной ошибки, допущенной при сборке на полигоне: были перепутаны электрические контакты, из-за чего после выдачи ракетой-носителем команды на борт БОРа-5 в виде напряжения+ 27 вольт она воспринималась на борrу как-27 вольт. В результате команда не прошла, пироболты, соединяющие БОР-5 с РН, не сработали, и аппарат продолжил совместный полет с ракетой по баллистической траектории. Ошибка была заложена в электрической схеме самого аппарата и при предстартовой отработке не обнаружилась, так как во время испытаний на полигоне команда на разделение проходила от наземного пульта, где полярность соответствовала электрической схеме БОРа-5, а не ракеты-носителя.
В.Лукашевич, И.Афанасьев, «Космические крылья»
БОР-5 №502 в Монино
Второй полёт прошёл лучше — БОР-5 №502 выполнил свои задачи. Однако испытатели обнаружили серьёзные прогары теплозащиты в самых горячих зонах — на кромках крыльев и носовом коке. Именно поэтому пришлось её усиливать. На БОР-5 №503 прогоревшие элементы были изготовлены из молибдена, и на сей раз всё прошло штатно. Впрочем, при транспортировке аппарат был повреждён. Ко всему прочему выяснилось, что молибден всё-таки оплавился слишком сильно, поэтому для четвёртого аппарата решили применять вольфрамо-молибденовый сплав.
В ходе полёта БОР-5 №504, состоявшегося 27 августа 1987 года (то есть чуть больше чем за год до полёта «Бурана»), было принято решение проверить способность машины к маневрированию на гиперзвуковых скоростях. И вот здесь вскрылся ряд проблем. Когда машина находилась на этапе гиперзвукового планирования, ей была подана команда на отклонение от курса. Система управления справилась с этим, однако после возвращения в нейтральное положение ракетоплан продолжил отклоняться от курса, но теперь уже в другую сторону. Система управления справилась и с этим, однако №504 отказывался лететь прямо, и отклонение от курса стало самоподдерживающейся. Иначе говоря, аппарат слушался рулей, но при этом был чудовищно неустойчив, хотя до этого всё было в порядке. Приземление прошло штатно, но радости конструкторы от этого не получили, только огромную головную боль.
Для «Бурана» была выбрана аэродинамическая схема бесхвостка. Её выбор (а также отсутствие возможности менять положение крыльев) в случае «Бурана» привёл к невозможности сделать корабль статически устойчивым по каналу курса-рысканья к боковому возмущению (например, боковому ветру) из-за дестабилизирующего влияния носовой части и аэродинамической тени, в которой оказывался киль (большая вертикальная плоскость в хвосте) с рулями направления при больших углах атаки. То есть если, например, из-за сильного бокового ветра нос корабля повернётся, то сам он в исходное положение не вернётся, потребуется реакция системы управления. И если её скорость реакции будет недостаточной или руль направления окажется неэффективным (а в аэродинамической тени это очень вероятно), то корабль может потерять управление и начать кувыркаться. Дальнейшие последствия понятны.
В помощь должны были прийти элевоны (не путайте с элеронами). Это управляющие поверхности на крыле, которые у бесхвосток являются одновременно и рулями высоты, и органами управления крена. У обычных самолётов механизация на крыле (если предельно упростить) управляет только креном (такие управляющие поверхности называют элеронами), а рули высоты вынесены в хвост.
Элевоны на сверх- и гиперзвуковых скоростях при определённых углах атаки начинают работать в обратную сторону относительно дозвукового полёта, что приводит к тому, что корабль начинает вращаться в противоположную от ожидаемого направления сторону. Поэтому на «Буране» элевоны на этих режимах должны были использоваться только в качестве элементов дополнительной стабилизации, помогая килю. Таким образом, управлять по рысканью можно было не только с помощью рулей направления, но и с помощью элевонов, которые должны были парировать любые боковые возмущения. Таким образом должна была быть достигнута стабилизация по курсу в любых условиях.
Однако на БОР-5 №504 этого не произошло! Наоборот, ракетоплан стал сам по себе вращаться! И хотя система управления успешно предотвращала катастрофическое развитие событий, но стабилизировать машину не получалось. Решить проблему можно было увеличением площади элевонов и рулей направления. Однако как это сделать, если вся аэродинамика рассчитана и финализирована, до пуска год, а первый корабль уже два года как собран и проходит испытания на Байконуре, в то время как на заводе ведётся сборка второго и закладка третьего корабля?!
Слева направо: «Буран» с закрытыми сворками-заглушками мотогондол; с открытыми створками (режим атмосферного полёта); финальный «Буран» без мотогондол
И тут конструкторы взглянули на те самые мотогондолы для двигателей атмосферного полёта. Они располагались у основания киля, а значит если их убрать, то эта зона не будет затенена, а значит рабочая площадь увеличится. Однако и здесь была проблема — ведь чем больше площадь, тем большие аэродинамические нагрузки она испытывает. Как уже говорилось, первый «Буран» был давно готов, поэтому было принято решение его допустить к полёту с ограничениями по боковому манёвру, а начиная со второй машины провести работы по усилению киля. Ну и естественно отказаться от установки мотогондол и двигателей. Что ж, придётся отказаться от возможности уйти на второй круг, но в итоге сохранить безопасность машины.
БОР-5 №505 в Техническом музее в немецком Шпайере
Проверка гипотезы была возложена на БОР-5 №505. И машина не подвела, сработав как надо. Пуск состоялся 22 июня 1988 года — за четыре месяца до запланированного полёта большого корабля — и прошёл полностью успешно. А уже в ноябре того же года космический корабль многоразового использования «Буран» отправился в свой единственный полёт. Об этом полёте я уже писал недавно, а завтра расскажу о не менее сложных инженерно-технических задачах, связанных с поимкой «крылатых метеоритов».
Автор: Александр Старостин
Вадим Лукашевич. «Советская копия шаттла — многоразовая космическая система с орбитальным самолетом ОС-120»
Вадим Лукашевич. «Многоразовый орбитальный корабль ОК-92, ставший «Бураном»»
Вадим Лукашевич, Игорь Афанасьев. Космические крылья
Барт Хендрикс, Берт Вис. «Энергия-Буран: советский Space Shuttle (Energiya-Buran. The Soviet Space Shuttle)»
Комментарии (33)
usa_habro_user
20.02.2022 08:59+1@StarostinAleksandr, любопытно было-бы узнать ваше мнение касательно "третьего варианта" возврата с орбиты, выбранного инженерами SpaceX и изложенного Илоном Маском, то-бишь очень "мягкого" торможения с многочисленными reentry в атмосферу, ну, а при гашении скорости до дозвуковой скорости, посадка на двигателях (уже отработанный этап).
И, любопытно, если подобная схема посадки действительно реальна (обычно я встречал лишь "научпоп" или рекламные речи с общими словами, но цифр никогда не видел; ну, а реальную осуществимость мы, надеюсь, увидим в этом году), то почему ни инженеры NASA, ни советские инженеры, подобные схемы не использовали, а ударялись в дорогостоящую и малонадежную "экзотику", вроде сверхжаропрочных сплавов и термостойких плиток?
StarostinAleksandr Автор
20.02.2022 18:37+2Ну, честно говоря, я в этом вопросе не копался, потому вряд ли могу что-то кроме общих фраз сказать. Возможно, будет размен температуры на время - то есть вместо 30 минут на 2000 градусов будет 300 минут на 800 (и как раз во времена Спирали и Бурана важен был именно быстрый спуск по вполне очевидным причинам). Однако я не видел расчётов и результатов экспериментов. Беглый гуглёж выдаёт "какие-то теплозащитные плитки" и "нержавеющая сталь вместо алюминия" - и я не берусь это комментировать)
usa_habro_user
20.02.2022 19:27Аналогично: я тоже пытался найти хоть какие-то цифры и расчеты, но, кроме упомянутого вами, да еще какой-то типа "супер-дупер" технологии охлаждения испаряющимся через микро-отверстия топливом (существующей только в фантазиях, как я понимаю), никаких цифр не встречал.
Правда, когда-то на реддите какой-то мужик "на коленке" подсчитал: получались очень "нехорошие" (для Starship) цифры, какое-то просто колоссальное количество энергии нужно рассеять кораблю (намного больше, чем Шаттлу).
Впрочем, надеюсь, что у инженеров SpaceX есть и расчеты, и компьютерное моделирование: вряд-ли кто будет затевать все это авантюрно, "вот запустим, а потом посмотрим, как посадить". В любом случае, надеюсь, скоро увидим.
Bedal
20.02.2022 20:24+4Мягкий вход — размер интенсивности на время. Поскольку не было покрытий, выдерживающих температуру посадки (те самых «плиток») — использовалось абляционная защита. Для неё режим интенсивного, но недолгого нагрева лучше, чем нагрев длительный, хотя бы и не такой сильный. Хотя неоднократное касание атмосферы прорабатывалось ещё для Аполлонов.
Что касается спуска на двигателях:
Подобное требует снижения полезной нагрузки примерно на 10% (на запас топлива). При нечастых запусках убыток получается уж очень большой. Этот недостаток есть, конечно, и у Фальконов, и нивелировать его можно только большим количеством пусков. По этой и другим причинам вся космическая программа спейсиксов имеет смысл только при очень большой массовости — и ровно потому создание Фальконов сопровождалось проектами на тысячи и тысячи спутников. Стоит уменьшить интенсивность пусков — и выгода исчезнет.
Добавлю, что сажают — лёгкую, пустую, первую ступень. Только труба и двигатели. Посадка чего-то более основательного требует и более серьёзных средств посадки — что мы и наблюдаем с новым кораблём. И, кстати, запас топлива (и соответствующее уменьшение полезной нагрузки) на такую посадку нужен ещё больше.
И ещё: традиционная посадка, которую используют все, от птиц до самолётов, выполняется с «обнулением невязок», то есть моментом с нулевой вертикальной скоростью, чтобы отстроиться от всех ошибок, возникших «до того». У самолётов это называется выравнивание. На авианосцы садятся без выравнивания — и процент аварий и катастроф при посадках там гораздо выше обычного, несмотря на специальное обучение пилотов.
Ракеты спейсиксов садятся без этого, и, если где-то в воздухе по любой причине вертикальная скорость станет нулевой — неизбежно падение. Чтобы этого избежать, нужен двигатель очень малой тяги, равной весу сажаемого. Это, в свою очередь, требует очень большого уровня дросселирования или специального посадочного двигателя, или просто большого числа движков, так что сажать можно на одном из нескольких десятков. Что, опять же, мы и наблюдаем.
Очевидно, что описанные ужасы преодолимы — но при условии большого числа расчётов в онлайне. Сейчас это вполне доступно, но раньше — нет. Потому так и не сажали.usa_habro_user
20.02.2022 20:39Двигателями погасить орбитальную скорость, при нынешнем уровне развития (химические двигатели), просто невозможно. А у плавного аэродинамического торможения, со множествами reentry (пары входов 100% не хватит, прогорит) планируемого SpaceX, есть определенные неясные моменты: достаточно одного неправильного угла при входе, и корабль "завязнет" в атмосфере и вскоре сгорит. Опять-таки, испытывать "методом тыка" (как испытывали на "подскок") орбитальные модули, думаю, будет на порядок дороже - это каждый раз нужно Falcon Heavy готовить под старт.
Очевидно, что описанные ужасы преодолимы — но при условии большого числа расчётов в онлайне. Сейчас это вполне доступно, но раньше — нет. Потому так и не сажали.
Простите, в каком "онлайне"? Вы считаете, что разработчики производят расчеты на форумах или комментах на "хабре"? :D
А суперкомпьютеры тогда вполне себе существовали, и широко использовались для расчетов и моделирования (даже в СССР).
dragonnur
21.02.2022 00:15+1Полагаю, под онлайном подразумевалось управление в реалтайме.
usa_habro_user
21.02.2022 05:26А под словом "очевидно", видимо, подразумевалось, "мне вдруг подумалось" :)
Даже заменив нелепое "в онлайне" на "в real-time", предположение не становится от этого более логичным, а, уж тем более, "очевидным". Очевидно, кстати, совершенно другое: свойства нержавеющей стали вряд-ли сильно (на порядок) изменились с 70-х годов, да и возможности аэрокосмической индустрии США в середине-конце 70-х вполне позволяли использовать достаточно быстродействующие цифровые системы с большим количеством сенсоров (которыми, кстати, Шаттлы были оборудованы весьма изрядно), равно, как и аналоговые. Я не думаю, что именно в этом было дело - даже, скажем, я точно уверен, что не в этом.
Bedal
21.02.2022 07:33+2Да, реальное время, причём на борту. Для выполнения расчётов на земле и передачи нужных данных тогда тем более не было возможностей.
dragonnur
21.02.2022 07:56А сейчас те возможности будут? Изнутри плазменного кокона по радио наружу передавать что-то ещё, пожалуй, получится (ибо "на земле" бОльшие возможности в обработке), а обратно с очень большим трудом, КМК, ибо источник очень энергичного шума совсем рядом.
Bedal
21.02.2022 10:24+2Лёгкая путаница — одно дело вход в атмосферу и «плазменный участок» и совсем другое — собственно посадка на двигателях в противовес аэродинамической на крыльях.
На плазменном участке нужно только сохранять устойчиво положение, при котором ничего не прогорит, там не до маневрирования. Такую задачу умели решать уже и в 60-е.
Я, в данном случае, писал именно о посадке на движках, где нужно парировать атмосферные возмущения, не допустить чрезмерного падения скорости (в случае посадки без обнуления) и при том попасть в место приземления с очень высокой точностью. Тут уже аналоговыми системами не справиться, и вообще считать нужно много.
Bedal
21.02.2022 07:32+1достаточно одного неправильного угла при входе, и корабль «завязнет» в атмосфере и вскоре сгорит.
эта проблема существует при любом входе в атмосферу. И её, в целом, можно считать решённой.Простите, в каком «онлайне»? Вы считаете, что разработчики производят расчеты на форумах или комментах на «хабре»? :D
в комментах, даже не только на хабре, умеют сужать понимание непременно до такой степени, чтобы не увидеть смысла. И правильно, так легче троллить.usa_habro_user
21.02.2022 16:27И её, в целом, можно считать решённой.
Подобную задачу еще никто никогда не решал, и, в особенности, для КК такого размера, веса и формы. Решения, примененные для Space Shuttle и "Бурана", были чрезвычайно дорогими, и, к сожалению, не очень надежными.
Вы написали полную ерунду, вместо того, чтобы просто сказать, как автор этой статьи "Не знаю". И никто вас не "троллит", и за язык, писать очевидные глупости с огромным самомнением и апломбом, как-то "Очевидно, что описанные ужасы преодолимы — но при условии большого числа расчётов в онлайне. Сейчас это вполне доступно, но раньше — нет. Потому так и не сажали." не тянул. Это, мягко говоря, не очевидно и не соответствует истине.
Bedal
21.02.2022 16:48Подобную задачу еще никто никогда не решал,
Эта задача решается при каждом спуске космического корабля. Любого. Даже шариков Востока/Восхода, а уж для формы «фара» решалась обязательно.
В проекте Аполло задача была изучена ещё подробнее с целью торможения на подлёте от Луны. Предусматривалась возможность торможения в два приёма с временным выходом из атмосферы для охлаждения.
А дальше у Вас — типичные для тролля отрицания при старательном избегании показать хоть какую-то информацию. Ведь на этом придётся раскрыть свой уровень знаний…usa_habro_user
21.02.2022 18:31Вы никакой "информации" не предоставили, ни одной цифры, лишь одни ваши домыслы - вот, на мой взгляд, типичное поведения тролля и "диванного эксперта".
Еще раз: SpaceX предстоит решить задачу, которую никто до них не решал - многочисленные reentry в атмосферу с целью погашения орбитальной скорости и рассеивания колоссальной энергии (btw, можете сами посчитать, какой именно - если знаете, конечно, как). Подобная задача до этого, и для куда меньших объектов (Space Shuttle и Буран), решалась иначе, чрезвычайно дорогостоящим и не очень надежным методом, приведшим к одной из самых страшных катастроф в истории космонавтики. Вряд-ли Илон Маск решил воспроизвести Space Shuttle - запуски "Шаттлов" были чрезвычайно дорогостоящими, и, как показывает история, довольно рискованными, "на грани фола" (несмотря на то, что программа отработала полностью).
В этом-то и заключался мой вопрос, перечитайте еще раз! Я не думаю, что инженеры SpaceX намного умнее и толковее советских инженеров, или инженеров НАСА, потому и спросил того, кто знает, как обстоят дела в реальности. То ли SpaceX удалось создать плитку, по надежности превосходящую на порядок ту, что использовалась на Шаттлах и Буране, то ли произошел какой-то "прорыв" в теоретических расчетах, гарантирующий 100% рабочее управление на космических и гиперзвуковых скоростях.
До сих пор SpaceX садил Starship на двигателях после небольших "подскоков": к этому вопросов нет, технологию они отработали на Falcon-ах и нескольких разрушившихся Starship-ах. Но отрабатывать подобным путем сход с орбиты, на мой взгляд, будет чрезвычайно дорогостоящим занятием.
Bedal
22.02.2022 09:50Еще раз: SpaceX предстоит решить задачу, которую никто до них не решал — многочисленные reentry в атмосферу с целью погашения орбитальной скорости и рассеивания колоссальной энергии (btw, можете сами посчитать, какой именно — если знаете, конечно, как).
Ещё раз: орбитальную скорость гасить множеством входов смысла нет. Скорость выше орбитальной — есть, и это прорабатывалось ещё для Аполлонов.для куда меньших объектов (Space Shuttle и Буран), решалась иначе,
Куб-квадрат, если, конечно, этот закон Вам знаком, делает смену решений при смене масштаба — обязательной. У более крупных объектов больше энергии нужно погасить на единицу площади, то есть выше интенсивность тепловыделения. Но, в то же время, способность аккумулировать энергию, снижая темп роста температуры, у них тоже выше. Это, конечно, приводит к иным решениям.чрезвычайно дорогостоящим и не очень надежным методом, приведшим к одной из самых страшных катастроф в истории космонавтики.
А вот это уже просто неправда и по отношению к причинам катастрофы, и по отношению всей этой ситуации к технологии множественного входа.потому и спросил того, кто знает, как обстоят дела в реальности.
открытой информации — полным-полно, но Вам нужна халява, а не изучение вопроса?То ли SpaceX удалось создать плитку, по надежности превосходящую на порядок ту, что использовалась на Шаттлах и Буране, то ли произошел какой-то «прорыв» в теоретических расчетах, гарантирующий 100% рабочее управление на космических и гиперзвуковых скоростях.
Прошедшие десятилетия даром не прошли. Плюс метод крепления плиток другой, и это играет большую роль. Плюс аэродинамическая схема иная. Плюс иная энерговооружённость, что принципиально изменяет требования на выходе из «горячего» участка.сход с орбиты, на мой взгляд, будет чрезвычайно дорогостоящим занятием.
взгляд тролля мало кого интересует.usa_habro_user
22.02.2022 10:07взгляд тролля мало кого интересует.
Вот тут вы, как раз, правы - ваш "взгляд" и прочий BS, излагаемый вами, меня абсолютно не интересует - никакой информацией, а, также, элементарными знаниями физики, хотя-бы в курсе средней школы, вы не обладаете: потому, ни малейшего интереса вести "дискуссию" с троллем, переводящим все "на личности", я не собираюсь.
P.S. Вам, в "копилку": вообще-то, кинетическую энергию Starship-а можно легко рассчитать по школьной формуле,
что для Starship означает - для погашения орбитальной скорости ему потребуется рассеять... ни много, ни мало, как 100000 * 7790^2 / 2 / 1000000 = 3034205 Мегаджоулей!
Никто и никогда в истории космонавтики не "сводил" орбиты объекты такого веса и геометрии. Ваши "еще раз", и "прорабатывалось для Аполлонов" (а применялось? хрен там!) - это просто троллинг "диванного искперта".
Bedal
22.02.2022 10:473034205 Мегаджоулей!
С учётом того, что вход в плотные слои выполняется на скорости уже ниже первой космической, а скорости ниже 1км/сек (примерно М=3) тоже рассмотрению не подлежат, эта страшная цифра вырождается в эквивалент сгорания примерно 50 тонн бензина, из которых процентов 90 уносится с обтекающим воздухом. Всё равно, конечно, остаётся много — но уже не заслуживает столь громких восклицаний, явно.
Кроме того, рассуждения об энергии вообще отражают очень небольшую часть вопроса, и то криво. Вопросы рассеивания общей энергии, конечно, важны — но ещё важнее вопросы, связанные с температурой торможения. Это вполне технический термин, можете почитать ГОСТ 25431-82, к примеру.
Остальное я написал Вам в личку.
Tarakanator
21.02.2022 14:23пробовал в KSP.
многочисленных reentry не надо. Просто ныряешь в верхнии слои атмосферы и удерживаешь безопасную высоту, чтобы не перегреться.(если с орбиты возвращаешься, если с луны, хочешь или нет а реентруться придётся.)
чтобы избежать reentry, приходятся иногда переворачивать корабль, чтобы подъёмная сила становилась опускательной силой.
Проблема в том, что когда скорость падает примерно до 80% орбитальной, то приходится лететь ещё высоко, чтобы не перегреться, но при этом подъёмной силы не хватает чтобы остановить падение.
Вариантов решения проблемы 3:
1)увеличить площадь крыла, тем самым увеличить подъёмную силу.(но это нужно много добавить, вариант 2 мне понравился больше)
2)добавить хотябы тонкую теплозащиту.
3)тормозить двигателем когда температура приближается к критической.Bedal
21.02.2022 16:55Эээ, а какая была теплозащита? Если абляционная, то нужно вводить быстро, абляционная защита в большей степени срабатывает по времени, а не по интенсивности. Начиная с температуры собственно абляции создаёт защитный газовый слой и дальше при повышении температуры срабатывается уже с уменьшением интенсивности. Соответственно, если работает долго — срабатывается.
Многочисленные (обычно только один :-) повторные входы нужны, чтобы сбросить накопленное тепло. Используется, если вход на скорости выше первой космической. Просто с орбиты повторные входы, конечно, не нужны, уже после первого торможения времени пребывания вне атмосферы не хватит для охлаждения.
Так что да — теплозащита, умеренное аэродинамическое качество на «плазменном» участке, чтобы быстрее его пройти. Потом, при снизившейся скорости, можно уже и двигателем отработать. Тормозить же интенсивно на орбите смысла нет — только топливо расходовать, всяко энергии будет гораздо меньше, чем можно сбросить аэродинамическим торможением. Чтобы сбросить почти всю ещё до входа в атмосферу, нужно, считать, полную вторую ступень отработать. Дело даже не в том, что топлива жалко, а в том, что всё это нужно сначала вывести, и размер иметь соответствующий на посадке — совершенно избыточный.
ivan01
20.02.2022 20:38В случае «Спирали»для этого также используется пространственная ферма, которая, используя тепловое расширение, рассеивает нагрев, охлаждая всю конструкцию.
Это как вообще? Можете пояснить?
miga
Стоит, пожалуй, отметить, что первопричина всего этого - это Циолковский, точнее "тирания" его ракетного уравнения, а теплозащита и аэродинамика - это все от бедности (бюджетов deltaV). Если б мы могли позволить себе спалить еще 7-8 км/с чтобы погасить орбитальную скорость при возвращении на поверхность - все было бы значительно, на порядки проще.
orion24
Вот да. Тормозни тело с орбиты как следует без вертикального снижения, либо с очень пологим входом, и приземлять космонавтов можно было почти в ан-2 с перкалевыми крыльями.
VT100
FTGJ, Ан-2 — металлический. Перкалевый — По-2. Видел его, тогда ещё — в Монино, и офигевал.
Rsa97
У Ан-2 металлический фюзеляж и перкалевая обшивка крыльев.
VT100
О как!
BubaVV
Пробовал такое в KSP, не прокатило. Слишком уж большие аэродинамические нагрузки при входе в тропосферу