Крест королева что это
Баллистический спуск
11 октября 2018 года произошла первая крупная авария в истории российской пилотируемой космонавтики — через две с половиной минуты после старта ракеты «Союз-ФГ» с кораблем «Союз МС-10» с двумя космонавтами на борту произошли неполадки в работе второй ступени, и корабль совершил аварийную посадку. Оба члена экипажа выжили, но эта авария может значительно повлиять на программу работы Международной космической станции. Мы попросили популяризатора космонавтики Виталия Егорова рассказать, что именно произошло во время взлета ракеты и какие последствия могут быть у этой аварии.
Хронология полета «Союза»
Расчетная хронология полета ракеты «Союз ФГ» с космическим кораблем «Союз МС-10»
Пока детали точно не известны, но авария произошла на этапе отделения боковых ускорителей или непосредственно после их отделения во время работы второй ступени. Ракеты семейства «Союз» оснащены боковыми ступенями-ускорителями, которые на старте включаются одновременно со второй, центральной ступенью. После отделения «боковушек», которые составляют вместе первую ступень, центральная продолжает работать. Во время трансляции пуска было подтверждено отделение первой ступени, створок головного обтекателя, и уже после того, как они отделились, стало известно, что произошла авария ракеты-носителя. Отделение головного обтекателя произошло примерно на 157 секунде полета. В этот момент ракета находилась на высоте примерно 90 километров.
Сравнение штатного отделения боковых ускорителей «Союза» (вверху) и отделения, произошедшего во время запуска «Союз МС-10»
Стоит отметить, что в этом случае космонавтов спасла не ракетная аварийная система, которая установлена над головным обтекателем «Союза» (в американской терминологии Escape Tower). Она отделилась за несколько секунд до отделения боковых ускорителей. После аварии корабль отделился от ракеты, затем произошло разделение отсеков самого корабля, и затем он совершил посадку почти по штатной программе, то есть с раскрытием парашютов — по «программе II» или «программе III», как на схеме ниже. Но угол траектории был намного круче обычного, поэтому космонавты испытали значительно более серьезные перегрузки.
Схема работы системы аварийного спасения пилотируемого корабля «Союз» на разных этапах выведения
Как происходили предыдущие аварии российских космических кораблей
У аварии «Союз МС-10» есть заметное отличие — к предыдущим авариям, которые происходили с грузовыми кораблями «Прогресс», была причастна третья ступень, но в данном случае это довольно уникальное событие, ничего подобного давно не было. В случае с «Союз МС-10» до третьей ступени очередь не дошла, авария произошла в момент, когда еще 100 секунд должна была работать вторая ступень.
В истории российской и советской космонавтики была похожая авария. Это был полет пилотируемого комического корабля «Союз-18-1» к орбитальной станции «Салют-4» в апреле 1975 года. Проблема тоже была связана со второй ступенью, однако в том случае она не смогла отделиться от ракеты после завершения работы двигателей на 261 секунде полета. Из-за этого сработала система аварийного спасения, которая отвела корабль с космонавтами от ракеты. После этого корабль совершил посадку на Алтае. Известно, что во время спуска космонавты испытали перегрузку выше 20G, но выжили. Во время аварии «Союз МС-10» Алексей Овчинин и Ник Хейг испытали перегрузку, равную примерно 6–7G.
Как авария отразится на работе МКС
Авария важна не только сама по себе. Дело в том, что после завершения полетов по программе Space Shuttle «Союзы» остались единственным способом доставки космонавтов на Международную космическую станцию. Поскольку, очевидно, в ближайшее время новый «Союз» к станции не полетит, всю программу полетов на МКС придется переписать. В частности, придется задержать или перенести программу полета космонавта из ОАЭ, который должен был лететь на новом «Союзе» в 2019 году, а затем возвращаться как раз на «Союз МС-10».
При этом не стоит рассматривать аварию как угрозу самому существованию МКС. Маловероятно, что экипаж вернут с МКС на Землю и станцию законсервируют, потому что консервация станции — это очень сложная и проблемная операция, более сложная, чем продление срока текущей экспедиции. Скорее всего, придется значительно продлить сроки полета членов экспедиции МКС-57, которые сейчас находятся на орбите. Поскольку со снабжением станции продовольствием и другими необходимыми вещами благодаря американским и японским грузовым кораблям проблем быть не должно, можно продлить текущую экспедицию на полгода.
Американские частные пилотируемые корабли, разрабатываемые SpaceX и Boeing, пока не готовы заменить «Союзы», и вряд ли авария повлияет на это. Конечно, сроки подготовки первых полетов могут попытаться ускорить, но дело заключается не столько в желании или финансовых вливаниях, сколько в возникших технологических сложностях в обоих проектах. К тому же, как раз на днях NASA снова перенесло первый полет корабля SpaceX Crew Dragon еще на несколько месяцев.
«Крест» Королёва
а эти 4 хреновины куда потом падают?
Самое смешное, что я всегда когда играл в Kerbal space program, думал, что бустеры не должны отсоединяться таким образом. И смеялся нам тем, как нереалистично у меня организован полёт О_о
Единственный нормальный крест.
Пост всего за 3 добрался до Пикабу, хорошо.
Меня одного волнует загадочная скорость в 48 (. ) км/с в первой половине гифки и 1,83 км/с во второй?
мммм. как же синхронненько..
Фильм «Байконур», про людей живущих в зоне падения обломков взлетающих ракет.
Вот «крест» Королёва
20 секунд пытался понять, что это плывет, причем тут Крест и кто такой Королев
А вы говорите, что Бога нет.
Православная ракета, перекрестившись, улетает из католической Гвианы.
на виде со стороны ракеты кажется, что от неё отваливаются 4 огромных косяка
Вообще это «звезда Королёва», а не крест.
Почему она летит вниз?
бро разъясни, а то я ннп
Где нормальное видео?
Rocket Lab анонсировала первое возвращение ступени ракеты Electron с помощью вертолета
Rocket Lab официально подтвердила, что попытается поймать первую ступень своей ракеты в воздухе во время следующей «многоразовой» миссии. Ее могут провести в первой половине 2022 года.
Этому предшествовали успешные возвращения первой ступени с приводнениями: последнюю такую миссию Rocket Lab провела 18 ноября. В промежутке между этим запуском и следующей попыткой возврата первой ступени Rocket Lab осуществит ряд пусков, которые не предполагают ее восстановления.
Концепция Rocket Lab отличается от подхода SpaceX. Согласно плану, первую ступень будет ловить в воздухе специальным образом модернизированный вертолет. Впоследствии ее восстановят и снова задействуют для запуска.
Многоразовую ракету активно разрабатывают и в России. Речь, в частности, идет о проекте «Крыло-СВ», направленном на создание крылатой ступени, способной возвращаться и садиться как самолет. Как стало известно в начале ноября, «Роскосмос» заказал двигатели для перспективной ракеты.
В Госдуме опровергли возможность испытаний противоспутникового оружия
Шойгу заявил, что военные РФ на испытаниях «ювелирно» поразили старый спутник
Угроза МКС от испытаний ПКО А-235 «Нудоль» и ситуация с противоспутниковым вооружением
Собственно, над нашими головами сейчас происходит почти то же самое, с поправкой на реализм. Воздушно-космические силы Российской Федерации провели испытания противокосмической ракеты, а именно дальней противоракеты системы А-235 «Нудоль».
— Которую при СССР, правда, не успели поэксплуатировать, так как её сдали только в декабре 1990 года. В свою очередь она собой заменила более раннюю А-35 (Прошедшую модернизацию в 1978 году). Современная же итерация московской стратегической ПРО была принята на вооружение буквально недавно, в 2020 году.
Утром 15 ноября ВКС РФ провели запуск противоракеты дальнего радиуса действия 51Т6М с позиций стрельбового комплекса «Кивач-М», расположенного на космодроме «Плесецк». Это были девятые испытания с 2014 года, при этом первые с поражением орбитальной цели.
— Космический аппарат относится к семейству спутников детальной радиотехнической разведки «Целина-Д», со сроком гарантийной работы порядка шести месяцев. То есть он как минимум с 1985 года перестал подавать признаки жизни.
Выглядит ТПК (Транспортно-Пусковой Контейнер) от запущенной противоракеты примерно вот так.
Реальных проблем такие мелкие детали могут доставить только аппаратам, вращающимся по встречной траектории, то есть на ретроградной орбите (Разница в скоростях там может достигать 15+ километров в секунду).
— Туда, если я не ошибаюсь, в последние десятилетия выводят только израильские военные спутники «Офек», стартующие с космодрома Пальмахим на ракетах семейства «Шавит».
Но некоторые более крупные обломки уже могут представлять опасность для других рукотворных объектов в ближнем космосе Земли.
Официальных сообщений от минобороны не поступало, выводы были сделаны на базе того, что спутник в момент своего разрушения пролетал над Плесецком.
Вскоре после испытаний системы зондирования ближнего космического пространства засекли приближающиеся к МКС обломки.
Тем более, что ракета не совсем догоняла спутник, для этого у неё должно быть достаточно дельты для набора орбитальной скорости. Из современных ракет на это способна разве что GBMD, которая размером с полноценный многоступенчатый носитель.
— Скорее уж мы говорим об опережении летящего аппарата (Пуск провели заранее), с последующим ударом снизу.
— Роскосмос заявил, что их орбиты разошлись, и угроза столкновения миновала, но несмотря на эти оптимистичные утверждения, некоторые люки решено оставить закрытыми до вторника.
— Тогда Поднебесная уничтожила аппарат, находившийся на 865-километровой орбите. Это привело к образованию свыше трех тысяч отслеживаемых обломков, многие из которых до сих пор находятся на орбите.
В 2008 году США сбили неисправный разведывательный спутник USA-193. В отличие от предыдущего теста, этот был организован несколько лучше.
— Дело в том, что аппарат находился на низкой орбите и вскоре должен был войти в атмосферу. Так что большая часть обломков относительно быстро сошла с орбиты. Впрочем, большая, это все же не значит все.
Третий тест был проведен Индией в 2019 году. Его жертвой стал находившийся на 280-километровой орбите спутник Microsat-R. Продуктом испытания стало образование свыше 400 обломков.
— Поскольку аппарат тоже находился на относительно низкой орбите, большинство из них сгорело в атмосфере в течение последующих месяцев. В то же время, некоторые фрагменты получили достаточно энергии, чтобы перейти на более высокие орбиты, что значительно продлило их срок жизни. Но вроде как по итогу все обошлось и они ни с чем не столкнулись.
При этом перехваты, произведённые Китаем и Индией отличаются костылями, с помощью которых их удалось осуществить. Им для этого понадобилось городить перехватчики из переделанных баллистических ракет средней дальности (Семейство DF-21 и Agni), поскольку дальних противоракет у них на вооружении нет.
В то же время РФ и США могут осуществить противокосмический перехват более дешёвыми средствами, в лице ракет 40Н6 комплекса С-400 и их ближайшего американского аналога THAAD (Ближайшего только по возможностям ПРО с атмосферным/заатмосферным перехватом, ибо по аэродинамическим целям он лупит плохо, в отличие от С-400), а также 77Н6 комплекса С-500 и SM-3 Block-2 (Ситуация аналогичная предыдущей) и конечно же ракет 51Т6М от А-235 «Нудоль».
При этом возможность перехвата спутников суборбитальными ракетами у нас была уже в 1978 году, противоракеты А-350Р комплекса А-35М были способны сбивать КА на низких орбитах.
— Базовая противоракета большой дальности 51Т6, относящаяся к тому же семейству А-350 и заменившая его в А-135 «Амур», соответственно, так же сохранила эту возможность.
Основное отличие от современных ракет заключается в ядерной головной части, которая в 51Т6М была заменена на кинетическую. Но это мы говорим именно о противоракетах, которые уничтожают свои цели без выхода на орбиту.
— У СССР также были и орбитальные средства перехвата. Комплекс Циклон-2 + ИС (Истребитель Спутников) был принят на вооружение в том же 1978 году, и у них ядерной боеголовки для уничтожения вражеских целей не было, поскольку они выходили на орбиту и могли просто подлететь к чужому спутнику, после чего разогнаться и врезаться в него.
— В дальнейшем тестовые пуски проводили уже на специально предназначенных для этого ракет-носителей Циклон-2 (Переделанные Р-36орб).
В 2000-ых года вроде велись работы по наследнику этой системы, под названием «Рокот-ИС» (Одновременно собирались разворачивать порядка 14 ракет), но нынешний статус неизвестен. Вероятно её уже выпилили с боевого дежурства по причине окончания гарантийного срока эксплуатации ракет УР-100Н УТТХ.
— Теперь ждём схожей модификации уже на базе РС-28 «Сармат».
Ракета запускалась с истребителя F-15 Eagle, а не со стационарной платформы, как у нас. Момент пуска был запечатлён на фото, которое я тоже тут приложу. Высота, с которой стартовала ракета была 24 384 метра (Это выше практического потолка истребителя).
— Но это всё не основные средства, а вспомогательные. США для борьбы с авиацией предпочитают другую авиацию с ракетами воздух-воздух.
Из-за географического положения американцам нет нужды утыкивать всю свою территорию труднопробиваемым зонтиком ПВО. Наличие авианосцев тоже вносит свою лепту, так как они в любом случае нужны.
Плюсом сверху стоит сказать и о комплексе GBMD (Ground-Based Midcourse Defence). О нём я тоже писал, это стратегическая система ПКО. Она способна сбивать боевые блоки баллистических ракет на среднем участке траектории, за тысячи километров до цели.
— Это уже орбитальная система перехвата, такая же как советский «Циклон-ИС». Длина ракеты составляет 16,8 метров, вес в снаряженном состоянии — 12,7 тонн.
Да, она достаточно маленькая, так как сделана не на базе МБР, а оттого и вменяемая по цене для минобороны США, но может развивать первую космическую и у неё есть заатмосферный кинетический перехватчик для уничтожения боевых частей вражеских ракет.
— На данный момент развёрнуто 44 противоракеты и заканчивают шахты для ещё 20 таких же.
Первоначально планировалась разработка в рамках программы кластерного перехватчика, предназначенного для поражения ракет с разделяющимися боеголовками (То есть, чтобы была возможность противодействия российским ракетам), но потом от неё отказались ибо очень дорого.
— Да и в целом, с появлением сначала маневрирующих блоков, а потом и гиперзвуковых головных частей это стало бесполезно.
В целом вот эти пять стран по сути единственный, у кого есть собственные средства заатмосферного перехвата. Европу, Японию и Южную прикрывают наземные версии SM-3 Block-IIA или уже вышеописанный THAAD.
Напоследок вернёмся к нашим баранам, то есть А-235.
Однако США из этого договора вышли, ради принятия на вооружение вышеупомянутых SM-3B2 и GBMD, и ограничений больше не было.
— Но у нас других средств не предусматривалось, и мы до 2010-ых условно продолжали этот договор соблюдать, пока военные ближе к середине прошлого десятилетия не получили наконец-таки допиленную 40Н6.
Все 2010 годы мы занимались обновлением А-135 до А-235 и доведением до ума С-500 «Прометей».
Удивительная прогулка в лесу!
Привет моим 19 подписчикам!
Мы даже себе представить не могли на что мы наткнулись!
Сначала показались какая-то большая полу закопанная бочка
Затем продвигаясь вперед заприметили старые военные ящики с изделием д529
Гугл ответов не дал(((
Двигаясь в лес, начали появляться «холмы», а на них не то вент киоски? не то просто какие то столбы?
Но самое интересное было дальше!
Пройдя еще буквально 100 метров вышли на высокий холм а на нём:
Две прекрасных ракеты! Вернее ракеты-носители Союз и Зенит.
Близко подходить не стали. Мало-ли кто там есть. Сделали фотографий и поспешили удалиться.
Как всегда видео версия нашего приключения
Путь к звездам
С чего начинается космос? На Земле он начинается с ревущих гигантов, сотрясающих грохотом старт и затихающих далёким громом в небе. Унося полезную нагрузку к звездам на своих плечах, ракеты-носители являются самыми мощными и самыми сложными летательными аппаратами, созданными человеком. И одновременно – одними из самых интересных. Как согласованно и сложно выполняют они свою полётную задачу – читайте в обзоре Naked Science.
Роль космической ракеты, или ракеты-носителя – поднять полезную нагрузку с земной поверхности до орбиты. Для этого ракета поднимает груз выше атмосферы и разгоняет его до орбитальной космической скорости. Подъем и разгон происходят в общем процессе выведения полезной нагрузки на орбиту, в результате которого достигается высота около 200-300 км.
Большинство ракет-носителей стартует вертикально с поверхности Земли, постепенно их траектория всё больше наклоняется. В полете происходит отделение ступеней, из которых собрана конструкция ракеты. Последняя ступень заканчивает разгон и отделяется от полезной нагрузки, начинающей свой самостоятельный космический полет. В пуске важна не только достигнутая скорость, высота и наклонение, но и точность выполнения этих параметров.
Его величество двигатель
Ракета разгоняется силой тяги двигательной установки, включающей один или нескольких двигателей. Его величество двигатель – самая важная, сложная и дорогая часть ракеты. Он выполняет две ключевые задачи: сжигает в камере сгорания топливо, в ходе этого процесса получается очень горячий и сильно сжатый газ. И разгоняет газ своим реактивным соплом, создавая силу тяги. От того, насколько правильно решаются обе задачи, зависят эффективность двигателя и совершенство ракеты. В качестве основных двигателей ракет-носителей чаще используют жидкостные ракетные двигатели, или ЖРД.
Жидкостным он называется из-за топлива, состоящего из двух жидких веществ – горючего и окислителя, – образующих топливную пару. Они вступают в химическую реакцию горения, в которой атомы горючего отдают свои электроны принимающим их атомам окислителя и образуют молекулы газов. Для полноты сгорания горючее и окислитель нужно подать в правильном соотношении и как можно лучше перемешать. Это делают форсунки, находящиеся в форсуночной головке в начале камеры сгорания. Оба компонента подаются в них с большим давлением многих десятков и сотен атмосфер, распыляясь в очень тонкую взвесь. Часто горючее и окислитель соединяются в общей форсунке, перемешиваясь в едином плотном факеле. Воспламенение происходит уже в начале факела форсунки, распыляемого в пламя зоны горения. Большое давление камеры сгорания приводит к очень быстрому сгоранию. Химическая энергия топлива переходит в потенциальную энергию продуктов сгорания, в форме высоких температуры и давления газа.
Получившийся сжатый газ устремляется в реактивное сопло, состоящее из двух частей. Камера сгорания переходит в сужающуюся часть сопла, где дозвуковой поток газа ускоряется. В самой узкой части сопла, называемой критическим сечением, поток достигает скорости звука. Дальше он попадает в расширяющуюся часть сопла, становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. Давление и температура при этом все время снижаются, зато непрерывно растет скорость потока. Сопло преобразует потенциальную энергию тепла и давления газа в кинетическую энергию струи, являясь тепловой машиной по разгону газа. Истечение струи создает реактивную силу в обратном направлении; эта сила составляет основную часть тяги двигателя. Чем быстрее истечение газа из сопла, тем больше сила тяги. Вот зачем струю разгоняют до высокой скорости, на краю сопла она может быть в три раза больше скорости звука.
Топлива в камеру подается много, сгорание идет с высокими температурами около трех тысяч градусов и под большим давлением. Это делает камеру сгорания и сопло очень нагруженными в силовом и тепловом плане.
Сопло раскаляется добела. Без охлаждения стенок камеры и сопла они неминуемо прогорят, и случится пожар двигателя. Охлаждение стенок камеры и сопла организуется разными путями. В специально проточенных тонких каналах в стенках сопла и камеры текут компоненты топлива, снимая часть тепла со стенок. Кроме этого, в камере сгорания создается пристеночная жидкостно-капельная завеса из горючего. Сама камера изготавливается очень прочной, чтобы держать огромное рабочее давление. Силовая рама передаёт усилие тяги от камеры сгорания на корпус ракеты.
Чем больше топлива сгорит в двигателе, тем больше тяга. Подачу топлива в ЖРД обеспечивает его вторая важнейшая часть – турбонасосный агрегат, или ТНА. Он объединяет главные насосы горючего и окислителя, другие насосы и вращающую их газовую турбину. ТНА работает крайне напряженно. Для создания большого расхода компонентов и высокого давления за насосами турбина совершает огромную работу и имеет очень большую мощность при компактных размерах. Отдельная камера сгорания ТНА сжигает компоненты топлива и направляет полученный газ на лопатки турбины. Отработанный газ за турбиной сбрасывается за борт в двигателях открытого цикла или идет на дожигание в основную камеру сгорания двигателей закрытого цикла.
Недавно появились сверхлегкие ракеты, у которой в ЖРД нет ТНА. Насосы горючего и окислителя вращают электромоторы запасенной в аккумуляторах энергией. Это сверхлегкие ракета-носитель Electron компании Rocket Lab и ракета Rocket компании Astra. Их небольшие двигатели, которые человек может удержать в одной руке, позволяют использовать электрический привод топливных насосов. Питаются электромоторы от литий-полимерных батарей, сбрасываемых в полете по мере их разрядки.
При принципиальной простоте конструкции работа двигателя в реальности весьма сложная. Газодинамические процессы в двигателе непросты и требуют правильной организации и управления. Так же сложна разветвленная гидродинамика жидких компонентов, теплообменные дела – и прочие динамика, физика и химия. Работа двигателя может нарушаться неустойчивыми режимами. Если давление в камере сгорания случайно вырастет больше расчетного, то перепад давления из форсунок в камеру снизится, это уменьшит подачу топлива в камеру. Меньше поступит и сгорит топлива – давление в камере снизится, что увеличит перепад давления на форсунках и приведет к подаче в камеру излишка топлива. Он сгорит и создаст скачок давления в камере – и цикл колебаний давления повторится. Такие пульсации давления могут иметь частоту десятка раз в секунду и приводят к разгону этого колебательного процесса до разрушения камеры сгорания или к неустойчивому горению с падением тяги. Такова низкочастотная неустойчивость двигателя.
Высокочастотная неустойчивость возникает в виде акустических колебаний внутри камеры сгорания, образующих в ее объеме стоячие волновые конфигурации разных форм. Многократно отражаясь от стенок камеры и сливаясь, акустические колебания усиливаются до небольших ударных волн, с ростом давления и температуры во фронте волны. В местах их прилегания к стенкам камеры возникают локальные зоны высокого давления и температуры. В них могут возникать прогары и разрушения. Также высокочастотная неустойчивость способна ухудшать сгорание топлива. Борются с этим видом неустойчивости введением в камеру особых перегородок, расположением форсунок и другими мерами.
Тягой двигателя необходимо управлять. Например, при старте ракеты-носителя «Союз» тяга двигателей РД-107 растет не плавно, а ступенчато. После зажигания начинается режим предварительной ступени тяги. Между прочим, на этом этапе турбонасосный агрегат еще не запущен, насосы неподвижны, а керосин и кислород просто самотеком льются из баков в камеры сгорания, как вода из водонапорной башни. Но в камерах они уже горят вовсю, вырываясь наружу большими клубами огня и освещая низ ракеты яркой протяжной вспышкой. Если горение нормальное и устойчивое, то включается режим первой промежуточной ступени тяги. Запускается и раскручивается ТНА, расход компонентов и тяга вырастают, продолжается контроль работы двигателя. Далее следует вторая промежуточная ступень. Давление в магистралях и подача топлива усиливаются настолько, что тяга превышает вес ракеты, и она поднимается в воздух. И только через шесть секунд подъема ракеты двигатель переводится в режим главной тяги, на полную мощность. У других ракет циклограммы (точные и детальные последовательности действий) выхода двигателей на полную тягу могут различаться, но все они требуют контроля параметров работы двигателя сотни и тысячи раз в секунду. Управляют величиной тяги изменением работы турбины ТНА или клапанами подачи компонентов топлива. Управление направлением тяги производят через подвижный качающийся подвес основных или управляющих камер сгорания, разностью тяги в многокамерных двигательных установках и другими способами.
Выключение двигателя – тоже сложный процесс. Сразу закрыть главные клапаны топлива нельзя: могут возникнуть гидроудары в магистралях. Еще нужно снизить импульс последействия – остаточную тягу после прекращения подачи топлива. Ведь тяга падает до нуля не сразу и резко, а постепенно, расходуя запас давления в камере сгорания с дожиганием уже распыленного форсунками топлива. При выключении двигатель сначала переводят в пониженный режим, снизив подачу топлива и давление в камере. И лишь потом подают команду на выключение, которая прекращает подачу топлива в камеры сгорания.
Часто включение двигателей последней ступени бывает двукратным – в результате первого включения ступень с полезным грузом выходит на опорную орбиту. Позже, когда ступень дошла в нужную точку орбиты, делают второе включение двигателя, переводящее ступень на другую, целевую или переходную орбиту. Запуск двигателя в невесомости требует осаждения расплывшегося по бакам остатка топлива к заборному отверстию. Для этого включают небольшие твердотопливные двигатели – или двигатели ориентации. Они создают небольшую продольную перегрузку для смещения остатков топлива к нижнему днищу бака. Затем делают второе включение главного двигателя ступени с началом следующей фазы выведения.
Топливо – энергия для полета
Топливо к двигателю поступает через трубопроводы – главные магистрали горючего и окислителя, идущие внутри баков и двигательного отсека. Для криогенного топлива магистрали и каналы в двигателе перед стартом нужно охладить слабой подачей этих компонентов. Это называется захолаживанием двигателя. Подача рабочих объемов в неохлажденный двигатель может привести к вскипанию там криогенных компонентов и скачку давления в магистралях, что чревато остановкой подачи и обратным выбросом топлива. Еще в трубопроводах не должно возникать гидроударов и кавитации, а в заборных отверстиях в баках ставят воронкогасители. Для борьбы с вредными эффектами магистрали снабжают буферными бачками, бустерными (предварительными) насосами и другими устройствами.
Виды топлива для ракет-носителей используют разные: криогенные в виде сжиженных газов либо высококипящие, как керосин или несимметричный диметилгидразин. Распространенные топливные пары: «керосин плюс кислород» и «водород плюс кислород». Уходит в прошлое ядовитая топливная пара «азотный тетраоксид плюс несимметричный диметилгидразин», печально известный гептил. Осваивается перспективная пара «кислород плюс метан». Важнейшие показатели топлива – количество энергии, получаемое при сжигании килограмма топлива, плотность компонентов, задающая нужный объем баков, и криогенность, требующая теплозащитных мер. Важна стоимость топлива, экологичность, технологичность производства, транспортировки, хранения, инфраструктуры для заправки, и другие характеристики. Например, пара «азотный тетраоксид плюс несимметричный диметилгидразин» – самовоспламеняющаяся, загорается немедленно при контакте компонентов, и для нее не нужно воспламенительных устройств.
Топлива в ракете много – до 9/10 от ее стартовой массы. Вмещающие его баки – довольно сложные конструкции. Баки с жидкими газами требуют теплозащиты для предотвращения не только нагрева содержимого, но и наружной конденсации воздуха в жидкость: например, на поверхности баков с жидким водородом. Внутри баков есть перегородки, снижающие колебания топлива в полете. Бак должен выдерживать давление наддува для его нормальной работы и многократный вес топлива в условиях перегрузок. Еще в баках есть система термостатирования, постоянно перемешивающая криогенный компонент, и не дающая ему расслаиваться. Иначе вверху может возникнуть нагретый слой с его дальнейшим вскипанием и скачком давления в баке вплоть до его разрушения. А система барботирования продувает через массив компонента массу мелких пузырьков, перемешивающих его на тонком уровне. Есть система одновременного опорожнения баков, согласующая расход горючего и окислителя, сокращающая неиспользуемые остатки топлива. Есть система наддува, обеспечивающая нужное давление в баке и его изменение перед стартом. Системы датчиков, с информационными линиями от них. И всё выше перечисленное – далеко не полный перечень оборудования.
Для запусков в космос широко используются и твердотопливные двигатели. Они служат ускорителями на этапе работы первой ступени, создавая иногда половину или даже 4/5 взлетной тяги. Твердым топливом служит смесь минерального окислителя, обычно перхлората аммония, и алюминиевой пыли в качестве горючего. Эти измельченные компоненты склеены полимерным связующим, синтетической резиной под названием полибутадиенакрилонитрил, или бутадиен-нитрильный каучук (БНК). Он содержит много углерода и водорода, и является тоже горючим. Энергетика твердотопливных двигателей хуже жидкостных. Но они дешевле и проще в эксплуатации. При компактных размерах твердотопливные двигатели выдают большую тягу, крупнейшие из них стали самыми мощными двигателями, созданными человеком. Ракеты-носители используют твердотопливные ускорители в количестве от одного до шести, прикрепленные по бокам первой ступени с ЖРД и сбрасываемые после выгорания топлива. А иногда и сами ракеты-носители бывают полностью твердотопливными, или содержат в своем составе твердотопливные ступени.
Летающая конструкция как динамическая система
Ракета-носитель делится на ступени, обычно на две или три. Это нужно для отбрасывания опустевшей во время полета топливной тары, чтобы не тратить топливо напрасно на её разгон. Деление на ступени бывает разным – поперечным, продольным и комбинированным. Ракета «Союз», поднимающая космонавтов на орбиту, имеет пакетную схему: центральный блок окружен четырьмя боковыми блоками. На старте все работают вместе, а после выработки топлива боковые блоки отделяются. Центральный блок дальше работает в качестве второй ступени, а после выработки топлива он отделяется от третьей ступени, которая завершает вывод на орбиту.
Топливные пары ступеней могут быть одинаковыми или разными. Например, все ступени ракет «Союз» или Falcon 9 – кислородно-керосиновые, а у ракеты Delta-4 Heavy – кислородно-водородные. Напротив, у ракет Saturn-5 и Atlas V первая ступень кислородно-керосиновая, а другие – кислородно-водородные. Ступени соединены переходными отсеками, передающими усилие с нижней ступени на верхнюю. Разделение ступеней должно быть безударным, чтобы нижняя не догнала верхнюю импульсом последействия и не стукнула в нее. Первая ступень всегда самая большая и массивная. Она работает до высот 40-60 километров, пару с лишним минут полета, а после отделения разрушается в районах падения. Вторая ступень выводит полезную нагрузку на орбиту – или повторяет судьбу первой ступени, если есть третья ступень, которая и достигает космической скорости.
Во время полета конструкция ракеты испытывает самые разнообразные нагрузки. Атмосфера создает силы аэродинамического сопротивления, давящие на корпус. При углах атаки с косым обдувом ракеты возникает боковая аэродинамическая сила. Наибольшая нагрузка потоком достигается примерно через минуту полета, сразу после достижения скорости звука, на высоте восьми-девяти километров. Для снижения потерь скорости и защиты полезной нагрузки от встречного потока сверху ракеты ставят обтекатель. С выходом ракеты за атмосферу его сбрасывают. Атмосфера также помогает стабилизировать ракету: для этого на некоторых первых ступенях есть стабилизаторы – например, треугольные крылышки на «Союзе».
Состояние ускорения в технике называется перегрузкой. Величина ускорения сравнивается со средним ускорением силы тяжести на поверхности Земли, так получается числовое выражение перегрузки. Мы с вами живём в непрерывной единичной перегрузке земного тяготения.
Конструкция ракеты со всеми элементами, узлами и агрегатами находится и работает в условиях нарастающей перегрузки, защититься от которой невозможно в принципе. Вес узлов и агрегатов, вес топлива в баках увеличивается пропорционально перегрузке: при двукратной – в два раза, при трехкратной – в три раза. Вырастает и давление топлива в баках и магистралях. Это нужно учитывать, закладывая в конструкцию необходимый запас прочности. Перегрузка плавно растет до трех-четырех единиц к концу работы каждой ступени, а после ее выключения резко падает до нуля, снова вырастая сходным образом при работе следующей ступени.
Элементы ракеты должны быть прочными при наибольшей легкости. Поэтому в ракете широко используют сплавы на основе алюминия и магния, последнее время дополняемые изделиями из углеродных композитных материалов. Впрочем, применяется и сталь, и медь, и золото; и многие другие материалы. Для твердотопливных ускорителей применяются как стальные корпуса, так и композитные, выполненные намоткой прочных нитей с закреплением их полимерными составами. На современной сверхлегкой ракете Electron компании Rocket Lab используется углеродное волокно, на основе которого сделаны баки для керосина и жидкого кислорода.
Ракета представляет собой сложную динамическую систему, в которой одновременно идет огромное множество процессов, действуют разнообразные силовые и тепловые нагрузки.
Топливо меняет свою массу и положение в баке, его поверхность может косо смещаться и раскачиваться. С выработкой топлива меняется центр масс ракеты. Разные вибрации охватывают корпус, в одних местах усиливаясь, в других ослабевая, сменяя друг друга. Различные силы давят на конструкцию, создавая сжимающие, растягивающие и крутящие нагрузки. Длинный корпус работает как изгибающаяся балка – с колебаниями концов относительно друг друга и центра масс ракеты. В совокупности всех воздействий материал конструкции находится в сложном напряженном состоянии, сочетающем многообразные статические и динамические нагрузки.
Первая в мире ракета-носитель, еще только создаваемая межконтинентальная баллистическая ракета 8К71 (как баллистическая ракета она состоялась уже после запуска первого спутника на орбиту), была названа «Спутник» (8К71-ПС) после подтверждения успешного выхода на орбиту первого спутника ПС-1. «Простейший спутник 1» весил всего 83,6 кг. Второй спутник с несчастной Лайкой на борту весил уже полтонны, однако он не имел многих систем, свойственных автономным спутникам, и не отделялся от второй ступени ракеты, образуя с ней одно целое. Третий спутник Д-1, для газетных сообщений называемый «Спутник-3», должен был стать первой полноценной научной станцией в космосе; его научная и измерительная аппаратура составляла почти тонну массы, а сам спутник достигал 1327 кг. Для его запуска потребовалась существенная модернизация ракеты-носителя, с получением нового шифра 8А91.
Пуск обновленной ракеты (№Б1-2) проводился 27 апреля 1958 года. Вначале ракета и ее системы работали нормально. Но в магистрали окислителя центрального блока возникли и усилились под действием растущей полетной перегрузки продольные колебания. Это привело к колебаниям давления жидкого кислорода на входе в двигатель, и к пульсации тяги его двигателя. Из-за возникшей переменной тяги двигателя центрального блока на 88 секунде полета начались резонансные силовые колебания боковых блоков ракеты, которые стали быстро нарастать. Всего через восемь секунд, на 96 секунде полета, боковые блоки оторвались от центрального, и ракета разрушилась в воздухе. Остатки ракеты упали в пределах полигона, примерно в ста километрах от старта. Спутник сразу оторвался от ракеты и падал отдельно, что позволило ему уцелеть, лишь слегка сплющившись при ударе о земную поверхность. Так развилась и произошла первая космическая авария. Ее расследование позволило в итоге успешно запустить «Спутник-3» в виде дублера 15 мая 1958 года.
В ракете-носителе размещают огромное количество различных систем и подсистем, основных и вспомогательных, обеспечивающих выполнение множества задач и бортовых функций. Это всевозможные гидро- и пневмосистемы; разветвленная бортовая электросеть с линиями и контурами питания, распределителями и источниками электроэнергии; различные пироболты и пироклапаны с линиями управления их срабатыванием; линии связи со ступенями. Важные системы дублируются, делаются резервные линии и блоки; наиболее важные троируются.
Полет ракеты требует непрерывного управления. Его осуществляет система управления полетом. Гироскопические датчики измеряют вращение ракеты вокруг ее трех осей и вычисляют текущую ориентацию в пространстве. Акселерометры точно измеряют ускорения вдоль трех пространственных координат. Интегрирование ускорений дает текущие скорости и общую скорость ракеты (скорость центра масс), ее величину и направление. А двукратное интегрирование ускорений дает координаты положения ракеты в пространстве относительно точки старта – удаление (по прямой в пространстве) или ортодромную дальность (по поверхности Земли), высоту и боковое смещение. Так работает инерциальный блок системы управления; он может дополняться астронавигацией, радионавигацией, системой GPS и другими навигационными каналами.
Блоки системы управления постоянно сравнивают положение ракеты и ее скорость с программными значениями, заданными на этот момент полета. Когда отклонения ракеты от расчетной траектории приближаются к предельно допустимым, система управления полетом вырабатывает управляющие команды, поступающие на рабочие органы – основные или управляющие двигатели. Они на рассчитанную величину меняют режим работы или отклоняются на подвижных подвесах. Возникает корректирующее движение ракеты, возвращающее ее ближе к расчетной траектории и регулирующее ее скорость. Ракета «гуляет» вокруг расчетной траектории внутри пространственной трубки, поверхность которой образована предельными допустимыми отклонениями, и не выходит за их пределы благодаря работе системы управления полетом. Алгоритмы управления оптимизируют движение носителя, сокращая количество приближений к границам допустимых отклонений и частоту корректирующих движений.
Система управления полетом постепенно наклоняет ракету, заваливая ее в горизонт и отрабатывая программу изменения угла тангажа (тангаж – это наклон главной, продольной оси ракеты к плоскости текущего горизонта). С ростом высоты и удалением от старта скорость ракеты становится все более горизонтальной. При достижении заданной скорости система управления полетом выключает двигатель последней ступени и отделяет полезную нагрузку в свободный полет. Иногда это происходит после второго включения и перехода на другую орбиту.
Конструкции ракет-носителей и схемы полета развиваются и эволюционируют. Из стандартных схем выделяется двухступенчатая тяжелая ракета Falcon 9 американской компании SpaceХ. Ее первую ступень с девятью двигателями сделали возвращаемой и повторно используемой, на сегодня ее повторное использование достигло шести раз. На высоте 60 километров происходит разделение ступеней, при этом в первой ступени остается запас топлива для посадки. По инерции поднимаясь до 120 километров, ступень начинает управляемый спуск. В верхней части снижения работают двигатели ориентации, на атмосферном участке – решетчатые аэродинамические рули, раскрываемые в верхней части ступени. Скорость гасится несколькими включениями трех из девяти основных двигателей. В итоге управляемого спуска ступень разворачивает траекторию и приземляется на площадку возле старта или садится на посадочную баржу в океане, раскрывая три посадочные опоры перед касанием поверхности. Таким образом, повторно используют и корпус ступени, и девять из десяти двигателей – самые дорогие компоненты ракеты (десятый остается на второй ступени). Возвращаются и две половинки обтекателя для повторного использования, опускающиеся на управляемых парашютах в широкую сетку специального судна, подхватывающего их на ходу. Многоразовое использование первой ступени сегодня отрабатывают и на других ракетах, как летающих, так и проектируемых.
Такие схемы полета требуют наличия отдельных, собственных систем управления полетом для возвращаемых элементов ракеты, переходящих к управляемому полету после работы на основном участке. Первая ступень, выполняющая заданную посадку, должна обладать полноценной системой управления полетом после отделения второй ступени – как и собственным бортовым измерительным комплексом, так и блоком выработки команд, и исполнительной частью. Это же относится и к возвращаемым половинкам обтекателя, поскольку они вводят в действие средство возвращения в виде планирующих парашютов, и через управление ими приходят в заданные точки посадки. По сути, многоразовая ракета-носитель формата «Falcon-9» в процессе полета разделяется на ряд самостоятельных летательных аппаратов, осуществляющих после основной работы в пуске собственные автономные управляемые полеты с задачей посадки заданным образом в заданных точках. Это новая архитектура системы управления полетом ракеты-носителя, и сегодня она уверенно работает в практических пусках, все шире распространяясь в запускающей технике.
Информационные потоки в ракете возникают не только в системе управления полетом. На борту находится множество датчиков, измеряющих самые разные величины. Давление и температуру во всех камерах сгорания, давление в магистралях горючего и окислителя, частоты и амплитуды вибраций в разных частях ракеты, перегрузку и местные ускорения, всевозможные температуры, давления и расходы, электрические напряжения и токи, положение различных переключателей и клапанов, обороты турбины ТНА, а также сотни и тысячи других параметров. Их измерения нужны для контроля состояния ракеты и многих бортовых процессов. Пока ракета стоит на старте, данные передаются через примыкающую к ней кабель-мачту. Это кабельная телеметрия – измерение и передача данных с борта ракеты через кабели. В полете информацию передают по радиоканалам – это радиотелеметрия. Телеметрическое оборудование ракеты обладает большой пропускной способностью и высокой частотой измерений. В современных телеметрических системах датчики опрашиваются несколько тысяч раз в секунду, а число каналов (количество датчиков) достигает тоже нескольких, иногда многих, тысяч.
У ракет, запускающих в космос людей, есть система аварийного спасения, или САС. Она устанавливается над космическим кораблем и представляет собой твердотопливный двигатель с розеткой направленных назад и в стороны сопел. В случае аварийной ситуации на старте и в полете, требующей спасения экипажа, система управления полетом задействует САС, которая уводит корабль с людьми вперед и в сторону от аварийной ракеты-носителя. Если выведение проходит штатно, по плану, то САС отделяется от корабля на этапе работы второй ступени и уводится в сторону другой, маленькой розеткой сопел, чтобы не быть ненужной нагрузкой в разгоне корабля. Новые схемы космических кораблей могут использовать другую организацию САС, интегрированную с кораблем и не отделяющуюся при выведении, как это сделано у Crew Dragon от компании SpaceХ.
Ракеты-носители выводят в орбитальный полет грузы самой разной массы. Орбита орбите рознь, они могут сильно отличаться и требовать для выведения на них разной энергии и разных затрат топлива. Чем выше орбита, тем больше нужно энергии для ее достижения; также важно наклонение орбиты – для полярных орбит затраты энергии выше, потому что запуски на них проводятся поперек вращения Земли и не используют его. Для сравнения грузоподъемности ракет берут низкие опорные орбиты, высотой около 200 км, круговые, с умеренным наклонением к экватору. Ракеты-носители делятся на несколько классов грузоподъемности. Деление это достаточно условно и изменяется со временем и в разных странах, но примерная классификация по грузоподъемности следующая: сверхлегкие – 0,1– 0,3 тонны, легкие – до 1 тонны, средние – 1–20 тонн, тяжелые – 20–100 тонн, сверхтяжелые – свыше 100 тонн.