Незаметные сложности ракетной техники

Строительство и эксплуатация ракет-носителей — это своеобразная «черная команда» космонавтики. Большая и сложная работа делается незаметно, а большинство лавров достаются разработчикам полезной нагрузки. Мы забыли о сложности задач, которые решаются при проектировании и производстве ракет-носителей. Эта статья призвана показать важность темы и представить небольшой ликбез тем, кто хотел бы узнать, «как оно летает».

Введение

Сделать собственный спутник может даже небольшая фирма, но только одиннадцать стран смогли собрать ракеты, которые доставили полезную нагрузку на орбиту. И то, например, Южная Корея купила первую ступень у России и получала её как «черный ящик». Почему так мало? Дело в том, что технологии ракет-носителей требуют очень высокого уровня развития науки и техники и много денег. Начать, наверное, стоит вот с этого видео:

Уже семьдесят лет, отсчет которых начался с первых пусков «Фау-2», ракеты так и норовят упасть. Конечно, сейчас им это сделать сложнее, и количество аварий измеряется процентами, а не десятками процентов, но сложность отрасли им подыгрывает.

Двигатель

Даже на простой научно-популярной схеме двигатель ракеты-носителя выглядит достаточно сложно. Что уж говорить о реальных схемах?

Откуда такая сложность? Дело в том, что всякие хитрые турбонасосы, регенеративное охлаждение, закрытый цикл и прочее применяются для того, чтобы повысить эффективность двигателя. Простейший ЖРД можно сделать практически в гаражных условиях (однокомпонентный МосГИРДа или с использованием 3D-принтера), но дальше хобби такой двигатель не улетит.

Турбонасосный агрегат

Главная задача турбонасосного агрегата — подавать горючее и окислитель. На это приходится расходовать часть энергии топлива, сжигая его в небольшой камере сгорания газогенератора.

Слева — схема ТНА РД-107/108 для семейства Р-7, справа — фото ТНА для РД-180 («Атлас-V»)
Турбонасосный агрегат работает в весьма жестких условиях. Например, взрывное разрушение ТНА привело к двум авариям советской «лунной» ракеты Н-1.

Камера сгорания

В камере сгорания расположены форсунки, через которые впрыскиваются горючее и окислитель. Одна из главных проблем, с которой столкнулись инженеры, — это неустойчивость горения. Любое случайное изменение потока через форсунки может породить скачок давления, который вызовет детонацию компонентов вместо равномерного горения и создаст проблемы вплоть до разрушения двигателя. Единственным рабочим решением оказалось разделение камеры сгорания на отсеки, изолированные друг от друга выдвинутыми форсунками или перегородками:

Слева — РД-107/108, в центре — РД-180, справа — F-1 (первая ступень «Сатурна-V»)

Сопло

А здесь главная проблема — отведение тепла. Температура в камере сгорания может достигать 2000 градусов Цельсия, а плотность теплового потока — 1-20 МВт/м^2, это сравнимо с годовой энергией от Солнца в районе экватора.

Самым эффективным решением оказалось т.н. регенеративное охлаждение. Компонент топлива (обычно горючее) прокачивается в охлаждающей рубашке с внешней стороны сопла. Для этого в США придумали систему трубок, а в СССР — гофрированную проставку и фрезерованные ребра:

Слева — РД-10, 1933 год, первые эксперименты, по центру — схема ребер на РД-107/108, справа — LR-87, «Титан-2»
Кроме этого, около стенок ставят форсунки, которые выбрасывают топливо, создавая завесу от пламени. Таких завес может быть много (например, на двигателе Фау-2 было четыре пояса завесы).

Эффективность

Говорить об эффективности двигателя как интегральном параметре фактически невозможно. Потому что двигатель и ступень, на которой он стоит, — это сложный компромисс из множества параметров: технической сложности создания/доработки/производства, стоимости создания/доработки/производства, тяги, удельного импульса, давления в камере сгорания, наработанной в эксплуатации надежности и многих других. И эти параметры находятся в противоречии друг с другом. Простой в производстве и дешевый ненагруженный двигатель будет иметь посредственную тягу или удельный импульс, а двигатель с очень высоким удельным импульсом окажется сложным, ненадежным или слишком дорогим, достаточно часто встречается ситуация, когда проще поставить существующий двигатель с неоптимальными параметрами, потому что он уже есть и не требует вложений в разработку нового. Например, ракету «Космос-2» приходилось заправлять шестью разными жидкостями из-за того, что первая ступень была ракетой средней дальности, а вторую ступень разрабатывали позже и использовали другие компоненты топлива.
Ситуация осложняется тем, что на сегодняшний день технологии подобрались к физическому пределу эффективности топлива, и новый двигатель на известных принципах не будет качественно лучше старых.

Система управления

Система управления решает две сложные задачи: поддержание устойчивого полета и выведение полезного груза в требуемую точку пространства.

Поддержание устойчивого полёта

Почти все ракеты-носители в полете аэродинамически неустойчивы:

Другое название этой проблемы — «обратный маятник». И система управления поддерживает неустойчивое равновесие, обеспечивая нормальный полёт, парируя различные возмущающие воздействия.

Точность выведения

Современный цифровой «Протон-М» имеет следующие параметры точности выведения:

• Перигей ± 2 км
• Апогей ± 4 км
• Наклонение ± 1.8 угл.мин
• Время выведения ± 3 с

Если вы не играли в Orbiter или Kerbal Space Program, то очень сложно объяснить, насколько это высокая точность. Попробуйте представить, что вы девять минут, закрыв глаза, едете на машине, и с точностью ± 3 секунды заезжаете в гараж, который длиннее вашей машины на 8 сантиметров и шире на 2 сантиметра.

А как она работает?

Почему в примере с машиной из предыдущего абзаца надо было закрыть глаза? Потому что в космосе нет дорожной разметки, и современные системы не используют какие-либо внешние источники, а работают автономно. Инерциальная система навигации фиксирует изменения положения ракеты и ускорения, которые с ней происходят, вырабатывая управляющие сигналы на исполнительные механизмы. В системе управления есть т.н. гиростабилизированная платформа, на которой расположены гироскопы, фиксирующие положение, и акселерометры, фиксирующие ускорения. Сама платформа подвешена так, чтобы сохранять свое положение:

А выглядят они примерно вот так:

Слева — компьютерная модель платформы, которую делает центр им. Пилюгина, по центру платформа ракетного комплекса «Ока», справа — платформа американской МБР «Peacekeeper» на воздушном подвесе
Сейчас, благодаря развитию ЭВМ и техники на новых принципах, гиростабилизированные платформы постепенно уходят в прошлое. Традиционные гироскопы уже практически заменились на лазерные, а поворачивающиеся платформы заменяются на бесплатформенные системы, где гироскопы и акселерометры жестко закреплены на корпусе, а их данные обрабатывает компьютер. Кстати, гироскопы в бытовой электронике не вращающиеся и не лазерные — они вибрационные. Точность так себе, зато маленькие и дешевые.

Меры обеспечения надежности

В нашем несовершенном мире отказать норовит не только сложный двигатель, но и простой провод, датчик или клапан. Поэтому принимаются специальные меры:

• Исполнительные механизмы по возможности дублируются: при отказе одного элемента срабатывает запасной. Миссия Спейс-шаттла STS-112 чуть не окончилась катастрофой на старте, когда отказали основные детонаторы пироболтов, удерживающих боковые твердотопливные ускорители. К счастью, сработали дублирующие детонаторы, и пироболты разорвались все и в нужное время.
• Измерительные приборы троируются: ставится три комплекта датчиков, они «голосуют» и, в случае отказа одного из датчиков, два «здоровых» продолжают давать верную информацию. В авиации было происшествие, когда отказали два гирогоризонта из трех, и автопилот завел машину в пике. К счастью, вмешались пилоты, и катастрофы не случилось. С распространением компьютеров иногда добавляется четвертый «голос» (или третий вместо одного из датчиков) — математическая модель «как оно должно быть».

Заключение

Надеюсь, вам стала более знакома привычная и незаметная сложность ракетной техники, чтобы, после успешного выведения полезной нагрузки, порадоваться не только за неё, но и за ракету.