Какое будущее у аэрокосмического транспорта. Олимпиада по истории авиации и воздухоплавания
Министерство образования Республики Башкортостан
МКУ отдел образования АМР Бижбулякский район
МОБУ средняя общеобразовательная школа № 2 с. Бижбуляк
Историко-исследовательская работа на тему
« Какое будущее у аэрокосмического транспорта? »
SpaceX — Дорога в будущее
Об истории и перспективах развития компании SpaceX
Выполнил: Аглеев Линар, 10 класс
МОБУ СОШ № 2 с. Бижбуляк
МР Бижбулякский район
Республика Башкортостан
Адрес школы:
452040 Республика Башкортостан,
МР Бижбулякский район,
с. Бижбуляк, ул. Центральная, 72
Телефон: 8 347 43 2 17 21
Факс: 8 347 43 2 17 21
Руководитель: Гибатов И.Р.
с. Бижбуляк, 2015
Введение
Глава 1. Проект SpaceX
- 1.1 История проекта
- 1.2. Перспективы ракетоносителей SpaceX
- 1.3. Двигатели, разработанные в компании SpaceX
- 1.4. Reusable — Многоразовость
- 1.5. Dragon
Заключение
Использованная литература
Приложения
Введение
Мы сейчас живем на грани колоссального события —
такого, как переселение жизни на другие планеты.
Илон Маск
Познакомившись с положением об олимпиаде Можайского, меня заинтересовал вопрос: «Какое будущее у аэрокосмического транспорта?» Я решил поискать на него ответ. В результате поиска я узнал о проекте частной компании SpaceX, которая мечтает о создании Марсианского Колониального Транспорта и удешевлении стоимости космических полетов.
Я выдвинул гипотезу: в будущем можно будет использовать проекты SpaceX для аэрокосмического транспорта.
Цель работы : выяснить, можно ли для развития аэрокосмического транспорта использовать проект Space X
Задачи:
- Изучить историю проекта
- Изучить эволюцию ракетоносителей SpaceX, их двигателей и их преимущества
- Изучить перспективы проекта SpaceX
Методы исследования :
- Изучение и анализ литературы и соответствующих сайтов в сети Интернет
- Анализ отчетов компании
Объект исследования: частная космическая компания SpaceX
Глава 1. Проект SpaceX
1.1. История проекта
Я узнал, что история компании SpaceX начинается с 2001 года. Её руководитель Илон Макс всю свою жизнь увлекался космосом. Он мечтал создать свой проект по созданию ракет. Этот проект он назвал SpaceX — Space Exploration Systems.
Первая ракета, которую разработали в компании, называлась Falcon 1, так как на ней использовался один двигатель Merlin. Эта ракета имела незаурядные характеристики, ракета легкого класса (см. приложение 1). Полезная нагрузка составляла всего до 600 килограмм. Во время испытаний, двигатели то выключались, то взрывались.
К 2004 году двигатели стали работать стабильно.
В 2006 году состоялся первый запуск ракетоносителя Falcon 1. Ракета поднялась, стремительно устремилась в небо и на 25 секунде взорвалась. Упала недалеко от стартового стола. Причина была в разрушении гайки, к которой крепился топливопровод к двигателю.
Во время второго запуска, первая ступень отработала идеально. После разделения ступеней включился двигатель второй ступени. Но во время выработки топлива, топливо внутри баков начало плескаться, ступень начала раскачиваться и разрушилась.
Третий запуск был совершен в августе 2008 года. Во время третьего запуска, во время разделения ступеней, первая ступень не отошла от второй. Всё это произошло из-за того, что на третьей ракете был установлен двигатель с другим типом охлаждения.
Четвертый запуск был произведен спустя месяц после третьего запуска. В качестве полезной нагрузки, в отличие от первых запусках, не использовали спутник — в этом запуске использовался массогабаритный макет груза. В сентябре 2008 года первая и вторая ступень отработали идеально и вывели этот массогабаритный груз на орбиту с перигеем в 500 километров и апогеем в 700 километров вокруг Земли.
Следующим эволюционным шагом в компании SpaceX была ракета Falcon 9, которая использовала 9 двигателей Merlin в своих технологиях. И первая ракета из семейства Falcon 9 была ракета версии 1.1. (см. приложение 2). Falcon 9 (v 1.0) имела девять двигателей, которые располагались рядно. Ракета управлялась распределением тяги между двигателями по периметру. Двигатели не вращались, не использовалось управление за счет поворота двигателя. Система распределяла тягу, тем самым управляя движением. Таких ракет было построено 5 штук. После этого начали использовать новую версию ракеты Falcon 9 (v 1.1) В версии 1.1 были увеличены баки, самым заметным отличием был переход от рядного расположения двигателей к кольцевому расположению (см. приложение 3,5). Кольцевое расположение позволило разместить центральный двигатель на подвесе, за счет чего управление стало осуществляться поворотом центрального двигателя. Это было нужно для того, чтобы в дальнейшем возвращать ступень на Землю. Таких ракет из 19 запусков на текущий момент — 5 запусков версии 1.0, а остальные 14 — версии 1.1.
Следующая стадия — версия 1.2 (Falcon 9 v 1.2). Коренное отличие ракеты — это использование переохлажденного окислителя кислорода. Криогенный кислород пропускают через специальное устройство, через жидкий азот, за счет чего он охлаждается примерно до температуры около -215 градусов по Цельсию. Это увеличивает плотность окислителя на 7%, соответственно позволяет поместить в ракету больше окислителя по массе. Топливо теперь тоже охлаждается до температуры -30 градусов по Цельсию — это увеличивает эффективность системы охлаждения ракеты. Falcon 9 версии 1.2 планируется в трех вариантах (см. приложение 6). Первая версия — версия с кораблем Dragon 1, вторая — версия с кораблем Dragon 2, конструируемым сейчас и третья версия — версия с обтекателями для полезной нагрузки, чтобы выводить спутники на орбиту. Новая версия позволила увеличить массу полезной нагрузки примерно на 30%. Это нужно для того чтобы выводить тяжелые грузы на орбиту, и в каждый запуск устанавливать систему возврата ступени, которая занимает определенную массу и определенное топливо.
1.2. Перспективы ракетоносителей Space X
Продолжая знакомиться с проектом SpaceX, я выяснил, что следующим, не только качественным, но и количественным развитием ракет компании SpaceX является ракетоноситель Falcon Heavy (см. приложение 7). Ракета сверхтяжелого класса, центральный блок — Falcon 9 плюс два дополнительных разгонных блока, которые являются первыми ступенями ракеты. Все три части будут возвращаемыми на Землю. Первые две ступени планируется возвращать на берег, на посадочные площадки, третья ступень будет улетать немного дальше по своей баллистической траектории и поэтому планируется ее сажать на плавучий космодром — на баржу. Также в этой ракете будет использована уникальная система перекрестной подачи топлива. В чем она заключается — во время старта работают все три блока — это 27 двигателей (3х9), но топливо и окислитель берутся из двух крайних блоков, центральный остается целым до отстыковки крайних блоков. Во время их отстыковки топливо начинает расходоваться из центральной части и это позволяет улучшить характеристики ракеты. Самыми значительными изменениями в ракете является масса, которую она может выводить на орбиту. На низкоопорную орбиту это составляет 53 тонны — невероятная масса. На Марс — 13,2 тонны. Falcon Heavy будет способна доставить полностью загруженный корабль Dragon на Марс, и частично загруженный на Юпитер.
1.3. Двигатели, разработанные в компании SpaceX
Я узнал, что в компании SpaceX разработали простые двигатели Merlin, которые используют открытый цикл (см. приложение 9,12) Это означает то, что часть топлива и окислителя используется для нагнетания топлива в камеру сгорания. Используется газогенератор, в котором сгорает часть топлива и окислителя, раскручивая турбины, которые подают топливо под высоким давлением в камеру сгорания, а отработанные газы выходят через патрубок. В первой версии Falcon 1 изменение вектора этого выхлопа использовалось для управления ракетой.
Схема открытого цикла проста, надёжна, она недорогая в создании и использовании. Потому что в ней используется невысокое давление в камере сгорания — и это, с большим заделом на будущее, способствует использованию многоразовых систем.
Я выяснил, что двигатели Merlin имеют не такую уж и высокую тягу, как наш легендарный двигатель РД-108, и не самый высокий удельный импульс, который показывает эффективность работы двигателя (см. приложение 10)
Однако они имеют преимущество - тяговооруженность (см. приложение 11). Тяговооруженность - это сколько собственных масс двигатель может поднять. 157 единиц — для двигателя такой схемы это рекорд. Выше бывает только у ракет, которые используют токсичные виды топлива. Планируется, что двигатели будут возвращаться и использоваться повторно.
1.4. Reusable — многоразовость
Исследуя ракетоносители и двигатели компании, я узнал о проекте возвращаемой первой ступени ракетоносителей компании SpaceX (см. приложение 13). На самом деле, эта теория многоразового использования имеет как много сторонников, так и много противников. Но именно эта функция существенно удешевляет стоимость запусков РН компании SpaceX. Я выяснил, что таким способом стоимость запуска снижается на ~60%. И эти средства компания может вложить в свои будущие разработки и перспективы.
Работы над многоразовостью начали вестись в 2011 году на полигоне МакГрегор в штате Техас компании SpaceX. С использованием испытательного стенда, который назывался Grasshopper (Кузнечик ). Эта ракета, которая, по сути, представляла собой первую ступень РН Falcon 9. Почему Кузнечик? Кузнечик, потому что эта ракета «подпрыгивала», она делала подскоки и отрабатывала момент посадки ступени за счет изменения тяги двигателя и его вектора.
В 2014 году систему возврата начали ставить на действующие ракетоносители, которые запускались в рамках миссий SpaceX. В апреле 2014 года была предпринята первая попытка посадки ступени — не на поверхность, а просто в океан. Ракета подошла к поверхности воды на необходимой скорости, замедлилась и погрузилась в воду.
В 2015 году начались испытания с посадкой ступени на плавучую баржу-космодром, которая находилась в океане. На ней использовалось четыре дизельных двигателя, которые удерживали баржу в определенной точке, с точностью до нескольких метров и ступень садилась на эту баржу. Случай, когда была произведена попытка посадки, был в апреле 2015 года, тогда «почти получилось»: ракета подошла хорошо, она попала куда нужно, но в результате небольшого сноса она опрокинулась и взорвалась.
22 декабря был произведен запуск Falcon 9 v.1.2 FT, запуск был осуществлен впервые после аварии, произошедшей в июне 2015 года. В этот раз SpaceX впервые удалось осуществить управляемый спуск на землю нижней ступени ракеты-носителя Falcon 9 (см. приложение 13). Таким образом, компания смогла сохранить ее для повторного использования. Я узнал, что в данный момент ракета проходит необходимые тестирования для определения ее состояния после запуска и посадки. Данная ракета уже не полетит снова, — Илон Маск заявил, что они сохранят ее для собственного музея.
Подобные проекты пытались создать и наши соотечественники. В ГКНПЦ им. Хруничева совместно с НПО «Молния» разрабатывали «Байкал» (см. приложение 15) — проект многоразового ускорителя первой ступени ракеты-носителя Ангара. Основная идея проекта состояла в том, чтобы выполнивший задачу ракетный ускоритель, отделившись от носителя, автоматически возвращался к месту старта и приземлялся на самолётную взлётно-посадочную полосу как крылатый беспилотный летательный аппарат. Но, к сожалению, наш проект так и остался на стадии разработки. Разработчики показали макет ускорителя в 2001 году, на авиакосмическом салоне «МАКС - 2001».
1.5. Dragon
В 2004 году компания начала разрабатывать корабль Dragon, свой первый полёт он совершил в декабре 2010 года. Полезный объем составляет 11 кубических метров, также он способен перевозить груз в «багажнике», объем которого составляет 14 м 3 (см. приложение 16).
Я выяснил, что уникальность Dragon заключается в возможности возвращать грузы с МКС на Землю и это первый корабль, произведенный частной компанией, который пристыковался к МКС.
Dragon V2 - вторая версия корабля. В нем используется двигатели Super Draco, полностью напечатанные на 3D принтере. Два двигателя объединены в 1 кластер. Всего используется 4 кластера. Используя эти двигателя, корабль будет способен самостоятельно приземляться, не используя парашютов (см. приложение 17).
Я узнал, что в перспективе корабля Dragon — миссия «Mars 2020», в которой марсоход, созданный по аналогу существующего Curiosity , будет собирать в ёмкость образцы марсианского грунта, после чего доставит её к точке взлёта-посадки корабля Dragon, который доставит их на орбиту, а далее на Землю.
Заключение
Изучив информацию о проекте Space X, я выяснил, что перспективой проекта является использование новых двигателей Raptor, о которых пока ничего не известно. Эта ракета будет полностью многоразовой, первая и вторая ступени будут использоваться повторно. А доставлять на орбиту она будет Марсианский Колониальный Транспорт (см. приложение 18), который будет использоваться для доставки на Марс людей — на одном корабле будут помещаться около ста человек. На основании всех приведенных материалов я пришел к выводу, что в будущем можно будет использовать проект SpaceX для аэрокосмического транспорта.
Список использованной литературы и источников
1. Эшли Вэнс — Илон Маск. Tesla, SpaceX и дорога в будущее. (Издательство: Олимп-Бизнес; 2015 г.; ISBN 978-5-9693-0307-2, 978-0-06-230123-9, 978-59693-0330-0);
2. В.А. Афанасьев — Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов (Издательство: М.: Изд-во МАИ.; 1994 г.; ISBN: 5-7035-0318-3);
3. В. Максимовский — «Ангара-Байкал. О разгонном ракетном модуле многоразового использования »;
4. Официальный сайт SpaceX — ссылка ;
5. Официальный YouTube-канал SpaceX — ссылка ;
6. Материал из Википедии — ссылка .
Приложение
Приложение 1. Falcon 1.
Приложение 2. Эволюционный путь РН Falcon.
Приложение 3. Схема расположения двигателей Falcon9 v1.0 (слева) и v1.1 (справа).
Приложение 4. Falcon 9 версии 1.0 и 1.1.
Приложение 5. Расположение двигателей в версии 1.1.
Приложение 6. Falcon 9. трех типов: с космическим кораблем Dragon 1, космическим кораблем Dragon 2 и с обтекателем ПН.
Приложение 7. Falcon Heavy.
Приложение 8. Эволюция ракетоносителей компании SpaceX.
Приложение 9. Двигатель Merlin.
Приложение 10. Сравнение тяги двигателей Merlin 1, Vulcain, RS-25 и РД-108.
Приложение 11. Тяговооруженность Merlin 1D.
Приложение 12. Merlin 1D Vacuum.
Приложение 13.
Приложение 13.1.
Приложение 14. Схема полета и посадки ракеты.
Приложение 15 . МРУ "Ангара-Байкал"
Приложение 16. Космический корабль Dragon V1.
Приложение 17. Космический корабль Dragon V2.
Приложение 18. Арт-концепт Big Falcon Rocket.
Какое будущее у аэрокосмического транспорта?
Цели и задачи
Цель работы - определение возможных и перспективных направлений использования, возможных конструкции космолетов и их элементов для решения задач освоения космоса.
Задачи работы - исследование направлений развития, особенностей этапов полета и их учета в конструкции, конструкций космолетов и двигательных установок космолета.
Введение
Тысячелетия понадобились человечеству для более-менее уверенного движения по собственной планете. Развивались технологии, человек мог всё дальше удаляться от родных мест. В начале 18 века развитие мануфактурного производства, достижения науки привели к зарождению воздухоплавания. В начале 20 века создание легкого и мощного двигателя внутреннего сгорания позволило поднять в воздух аэроплан, а создание жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) - вырваться в космическое пространство . Всего 150 лет понадобилось, чтобы перейти от ловли ветра к космическим полетам (1802 год - нет пароходов, 1957 год - уже есть космические ракеты).
Прогресс был столь очевидным и ошеломляющим, что уже в начале 1960-х годов строились прогнозы, как через 35-40 лет мы будем выходные проводить на орбите, летать в отпуск на Луну, а наши космические корабли начнут бороздить межзвездные просторы... Очень большие ожидания были связаны с 21 веком (1), до которого было еще 35 лет :
Рис. 1
Приятно оптимистичны перспективы регулярных рейсов космических кораблей в околоземном космическом пространстве и к ближайшим планетам Солнечной Системы для туристов :
| Пункт назначения | Стоимость билета
туда-обратн», долл. |
Кол-во
пассажиров в рейсе |
Время полета |
| Околоземная орбита | 1250 | 200 | 24 ч |
| Луна | 10000 | 35 | 6 сут |
| Венера | 32000 | 20 | 18 мес |
| Марс | 35000 | 20 | 24 меc |
| Марс-экспресс | 70000 | 20 | 11 мес |
Пассажирам должен быть обеспечен комфорт, как на авиалиниях, железнодорожном транспорте и океанских лайнерах. На каждого пассажира при полёте на околоземную орбиту приходится 2,85 м3 объема корабля, на Луну - 11,4 м3, к ближайшим планетам - 28,5 м3. Уточним - опыт длительных космических полётов и работы космонавтов на орбитальных станциях показал, что на каждого человека объем гермоотсеков должен составлять не менее 60 м3 .
Развитие космической техники
Вторая половина 20 века была посвящена, в основном, освоению околоземного космического пространства баллистическими средствами, а именно многоступенчатыми ракетами .
Сразу обозначились два пути развития космической техники - баллистический и аэродинамический. Баллистические летательные аппараты (ЛА) используют для полёта только реактивную тягу двигателя. Аэродинамические ЛА для полета, помимо реактивной тяги двигателя (ЖРД или воздушно-реактивного (ВРД)), используют подъемную силу, создаваемую крылом или корпусом ЛА. Существовала и комбинированная схема. Аэродинамические ЛА перспективнее для самостоятельной управляемой мягкой посадки , ,
Что такое «космический самолет»
Аэрокосмический транспорт - чрезвычайно широкое понятие, которое включает аэрокосмический ЛА, системы старта и посадки, системы удаленного управления и пр. В данной работе рассмотрим сам аэрокосмический ЛА, его части и устройства старта.
Строго названия у аппарата данного типа нет. Его называют космический самолет, космолет, астролёт, воздушно-космический самолет (ВКС) и т.д. «ВКС - вид пилотируемого реактивного ЛА с несущей поверхностью (в частности, крылатого), предназначенный для полетов в атмосфере и космическом пространстве, сочетающего свойства самолета и космического ЛА. Рассчитан на многократное использование, должен быть способен взлетать с аэродромов, разгоняться до орбитальной скорости, совершать полет в космическом пространстве и возвращаться на Землю с посадкой на аэродром» .
ВКС предназначен для полета в атмосфере и за ее пределами — в космическом пространстве, а также рассчитан на маневрирование в атмосфере с использованием аэродинамических сил .
Космолёт - либо цельная многоразовая космическая система (КС), либо часть многоразовой КС с возвращаемыми элементами, причем «возвращаемость» - главное условие «многоразовости» КА. Любая многоразовая КС должна отвечать требованиям высокой надежности, безопасности, минимального риска для экипажа и полезного груза при выполнении полётных задач, также должна обладать преимуществами обычных реактивных самолётов в эксплуатации и обслуживании, осуществлять всепогодный старт и посадку .
Еще одно положение связано с определением степени «многоразовости» - возвращать всю многоразовую систему (по ступеням) или только её часть. Одноразовые системы требуют отведения площадей для падения первых ступеней ракет, а также обтекателей. Вторые ступени в лучшем случае сгорают в атмосфере, а в худшем - падают на землю или в океан, или остаются на орбите на долгое время, становясь космическим мусором.Новые отношения к экологии Земли и космического пространства, а также нежелание государств «бросать деньги на ветер» (в прямом смысле!) ведут к необходимости создания многоразовой КС.
Многоразовость - еще и энергетические потери из-за элементов конструкции КС, обеспечивающих саму многоразовость (крыльев, шасси, парашютных систем, дополнительного топлива для двигательной установки и пр.). Требуются новые конструкционные материалы, новые технологии, более эффективные, чем сегодня, двигатели.
Этапы полета
Каким бы ни был общий сценарий полёта космолёта, он обязательно включает:
- взлет и выход из атмосферы,
- вход в атмосферу и посадка,
- полет в космическом пространстве.
Этап «Взлет и выход из атмосферы»
Почти все проекты преследуют одну цель - уменьшить массовую долю топлива в ракете-носителе (РН) или космолёте (в РН более 90% массы приходится на топливо) .
1 Ракета-носитель
Наиболее известными, и развитыми системами запуска являются системы вертикального старта со специальными площадками, на которых размещены мачты, удерживающие ЛА в вертикальном положении (космодром). Такие системы применялись, в основном, для запуска воздушно-космических аппаратов (ВКА), выводимых РН (ЛКС, Dyna-Soar) и ВКА с вертикальным стартом (Энергия-Буран, Space Shuttle) , . Был разработан также вариант РН, в котором боковые блоки первой ступени, отделившись, выпускали крыло и осуществляли посадку на аэродром, а центральный блок второй ступени, выйдя на орбиту и выгрузив ПН, входил в атмосферу и приземлялся с помощью треугольного крыла («Энергия-2») .
Или - ЛА выводится на орбиту отдельной РН, и до выхода на стабильную орбиту двигатели самого ЛА не используются. Примерами такой системы старта являются ракетопланы Dyna-Soar (США), «Бор» (СССР), ASSET и PRIME (США), многоразовые транспортные КС «Энергия-Буран» (СССР) и «Space Shuttle» (США) , , .
РН разрабатывают и производят во многих странах мира. Основными производителями являются Россия (40%), США (26%), страны ЕС (21%), КНР (20%), Украина (6%), Япония (4%), Индия (4%), Израиль (1%). Главными критериями конкурентоспособности являются масса выводимой ПН, конструкция, экологичность и др., а одной из основных характеристик РН является их надежность. Наивысшим показателем по этому параметру обладает российская система «Протон» — 97% успешных запусков, что превышает средние результаты на 10-20%.
2 Самолёт-носитель
«Воздушный старт» - один из самых перспективных способов вывода ЛА, активно развивается разными разработчиками вывод с помощью самолета-носителя (СН).
ЛА выводится на высоту с помощью СН, отделяется от него и с помощью собственных двигателей довыводится на орбиту. Возможна установка дополнительного ракетного ускорителя.
Этот способ выведения обладает целым рядом преимуществ . Ожидаемый эффект при использовании СН - на 30-40% больше ПН, чем при старте с Земли .
Одной из предстартовых операций является заправка КА и РН компонентами топлива. Но заправку топливом можно производить и в полёте [ИЗ 2000257]. Полёт с дозаправкой состоит из нескольких этапов (2).
Рис.2
Функции СН может выполнять экраноплан, обладающий наибольшей грузоподъемностью на единицу собственного веса из всех ЛА тяжелее воздуха. Экраноплан может двигаться над сушей [ИЗ 2404090] или над поверхностью воды [ИЗ 2397922].
Разработчики из США предложили трехступенчатую систему [ИЗ 2191145] со спасением всех трех ступеней (3). Под крылом СН (ступень I), например, самолет С-5 или Ан-124. подвешивается другой самолёт с расположенным на его «спине» грузовым отсеком, где помещается ступень III с обтекателем, в котором находится ПН. Полностью заправленные самолёты взлетают с аэродрома вблизи экватора. СН поднимается на высоту и развивает скорость, достаточную для запуска ПВРД ступени II. Ступень II отделяется и выходит на суборбитальную траекторию. При выходе из плотных слоев атмосферы отделяется ступень III, которая в апогее довыводит ПН на орбиту. Ступень II возвращается самостоятельно, ступенью III «подхватывается» и возвращается вместе с СН.
Рис.3
Многоразовая ракетно-космическая система [ИЗ 2232700] с очень большим количеством (до 10) одинаковых цельновозвращаемых ступеней (4). Все ступени расположены одна над другой с незначительным смещением и ничем не отличаются друг от друга, только первая ступень имеет сбрасываемые крылья, которые оборудуются спасательными парашютами. Взлёт КС осуществляется горизонтально с многоразовой тележки с помощью сбрасываемых крыльев. ПН располагается в грузовом отсеке последней ступени или в специальной грузовой капсуле, прикрепленной к последней ступени. На орбиту выходит только последняя ступень, а на старте работают двигатели всех ступеней, при этом они питаются из бака первой ступени. После исчерпания топлива в баке первой ступени эта ступень отделяется, а топливо потребляется из бака второй ступени. Сбрасываемые крылья отделяются после перехода КС в вертикальный полёт и приземляются, каждое - на индивидуальном парашюте.
Рис.4
Старт ЛА (5) со специальной, напоминающей вертолёт, фермы с винтами, под которой подвешивается ЛА, позволяет поднять ЛА на высоту до границы тропосферы [ИЗ 2268209]. В конструкции используются винты с разным приводом и разным количеством лопастей. Многолопастные винты приводятся высоковольтными электродвигателями с редукторами, а немноголопастные винты имеют реактивный привод.
Рис.5
3 Контейнер
Еще в 1954 году В.Н.Челомей предложил запускать ЛА из трубчатого контейнера, снабженного внутри направляющими для старта ЛА. Контейнер мог располагаться на подводной лодке (герметичный), надводном корабле, наземном подвижном или неподвижном устройстве [АС 1841043], [АС 1841044] и применяться для запуска ЛА с раскрывающимися или нераскрывающимися в полете крыльями. Возможно применение трубчатого контейнера для старта ЛА типа самолётов. Крыло и оперение ЛА могут быть автоматически раскрывающимися по выходе из контейнера. В целом система позволяет расположить максимальное количество ЛА в контейнерах на заданном пространстве, осуществить максимально быстрый старт ЛА без предварительного вывода из контейнера, без предварительного раскрытия крыльев и применения дополнительных специальных стартовых устройств.
Из транспортно-пускового контейнера стартуют РН «Рокот» и «Днепр» .
4 «Пушечный» старт
Комбинированный пушечно-ракетный («миномётный») старт из транспортно-пускового контейнера уже применяется для запуска РН РС-20 «Днепр» . В пусковой шахте размещается транспортно-пусковой контейнер, в контейнере находятся сама ракета и газогенератор, который включается перед стартом и облегчает старт ракеты.
В конце 90-х - начале двухтысячных годов как один из перспективных способов запуска КА разрабатывался т.н. пушечный старт - вывод на околоземную орбиту ПН (в т.ч. пилотируемых ВКА) из электромагнитной или газодинамической пушки . Принцип действия электромагнитной пушки: на металлический ЛА - своеобразный сердечник, находящийся внутри катушки соленоида, при наличии постоянного тока в обмотке катушки, воздействует сила Лоренца, выбрасывающая ЛА из ствола электромагнитной пушки, сообщая ЛА высокую скорость. После выстрела включаются двигатели самого ЛА. При вылете из ствола пушки (пушка в виде тора) ЛА будет иметь скорость около 10 км/с, однако из-за высокой плотности атмосферы вблизи поверхности Земли, после вылета из пушки скорость аппарата снижается.
Для уменьшения потерь скорости и снижении сопротивления воздуха при полёте в плотных слоях атмосферы, одновременно создается тепловой канал с помощью лазерного луча [ИЗ 2343091], [ИЗ 2422336] - в воздухе создается электрический пробой (плазменный канал), затем из-за поглощения лазерного излучения газами атмосферы образуется тепловой канал с пониженным давлением, по которому движется корабль.
5. Старт с эстакады
ЛА стартует на тележке с реактивными двигателями по специальной эстакаде. Тележка тормозит у конца эстакады, а ЛА отделяется от тележки и запускает собственный ракетный двигатель .
Особенность реализации старта с тележки эстакадного старта [ИЗ 2102292] - ледяная поверхность, по которой двигается ЛА на тележке (6).
Рис.6
Разработчики предлагают системы с эстакадой в форме трубы, в которой движется тележка с ЛА [ИЗ 2381154].
Также могут быть реализованы системы, объединяющие электромагнитную пушку с эстакадой. ЛА разгоняется внутри трубы, имеющей обмотку, и выстреливается вверх [ИЗ 2239586].
6 Аэростат
Интересны разработки, в которых ЛА - аэростат, заполненным водородом, который и потребляют двигатели [ИЗ 2111147], [АС 1740251]. Такая конструкция [ИЗ 2111147] помогает решить проблему взлета заправленного аппарата. Старт воздушно-космической транспортной системы производится с поверхности Земли. Подъем возвращаемого аппарата производится за счет аэростатической подъемной силы, создаваемой находящимся в баллонах водородом (7). В результате работы двигателей обеспечивается разгон возвращаемого ЛА до скорости М = 2,5 - 3,0. В качестве горючего двигателей на этапе разгона может быть использован водород из баллонов.
Рис.7
7 Морской старт
Для запуска непосредственно с экватора с максимальным использованием эффекта вращения Земли КА различного назначения на околоземные орбиты, включая высокие круговые, эллиптические, без ограничений по наклонению орбиты, геостационарную орбиту и отлетные траектории предназначен ракетно-космический комплекс «Морской старт» , .
Разумеется, рассмотрена только малая часть возможных вариантов старта и вывода ЛА за пределы атмосферы.
Сравнение горизонтального и вертикального старта
Ведутся дискуссии, какой вид старта лучше - горизонтальный или вертикальный?
При вертикальном старте необходимо применять двигатели с силой тяги больше веса ракеты. Такие двигатели имеют большую массу, чем двигатели для горизонтального старта. При вертикальном старте практически невозможно применять ВРД. Но для вертикального старта не нужны взлётные полосы, только относительно компактный стартовый стол. Недостатки - гравитационные потери и опасность разрушения стартового комплекса обломками в случае аварии РН через несколько секунд после старта.
При горизонтальном старте можно применять менее мощные двигатели, а для первого этапа полёта - вместо ракетных использовать ВРД. Правда, горизонтальный старт влечет энергетические потери из-за средств обеспечения горизонтального старта - крыльев и шасси, но эти потери можно минимизировать. С горизонтальным стартом проще организовать систему спасения первой ступени. Недостатком можно считать отведение больших площадей под взлётно-посадочные полосы. Эту проблему поможет решить использование для взлёта и посадки ВПП стандартных аэродромов. Предполагается повышение опасности разрушения озонового слоя атмосферы, расположенного на высотах 15-35 км, от работы реактивных двигателей. При вертикальном старте ракета пролетает этот слой за 30-40 секунд. Проблема экологической опасности может быть решена, например, подбором специальной траектории полёта: разгон до высоких скоростей на высоте 12-14 км, выполнение «горки» с временным увеличением угла к горизонту до ~50 градусов с быстрым пролётом сквозь озоновый слой (губителен полёт в слое свыше 10 минут), а затем уменьшение угла к горизонту до 10-20 градусов на высоте свыше 36 км. Однако такой сценарий может привести к увеличению аэродинамических потерь.
Выбор типа старта определяет конструктор. Некоторые конструкторы - за вертикальный старт, некоторые - за горизонтальный. В.М.Мясищев отдавал явное предпочтение горизонтальному старту. Так родился проект космолёта «М-19» с ядерным двигателем, старт которого должен был состояться, по оценкам Мясищева, в 1990 году (через два года после единственного старта «Бурана») , .
Этап «Вход в атмосферу и посадка»
Основной проблемой возвращения с околоземной орбиты является нагрев ЛА от трения о воздух в плотных слоях атмосферы. Материалы корпуса и защитные покрытия - целое направление разработок. Одновременно могут и должны решаться задачи:защиты от нагрева при взаимодействии с атмосферой при взлете и посадке в условиях высоких скоростей и атмосферного нагрева; воздействия солнечной радиации в космическом пространстве, высокого градиента температур на солнечной и теневой стороне, длительного и кратковременного термического воздействия энергетических установок, а также по защите от оружия, в т ч. лазерного.
Для защиты КА от теплового разрушения существует три основных метода охлаждения , , каждый со своими достоинствами и недостатками:
- «горячая» конструкция - охлаждение производится излучением;
- абляция - охлаждение производится испарением покрытия, покрытие заменяется после каждого полёта;
- теплоизоляция с помощью керамических плиток на днище.
Крылатые КА имеют преимущество при спуске в атмосфере: снижаются перегрузки и тепловая нагрузка, повышается маневренность и точность посадки аппарата, но крыло тонкого профиля является уязвимым для воздействия высоких температур .
Проектные работы по пилотируемым возвращаемым КА типа «космоплан» начались в 1960 году в ОКБ-52 (сейчас «НПО Машиностроения»). В результате появился пилотируемый ракетоплан Р-2 и РН УР-500, позже ставшая «Протоном». Р-2 как и все крылатые КА разработки В.Н.Челомея, имел раскладывающиеся крылья ,в отличие от большинства аналогичных проектов других КБ. В 1960-е годы технологии теплозащиты значительно отставали от требований к теплонагруженным элементам. Поэтому первые пилотируемые аппараты СССР и США имели форму сферы и обратного конуса без смещения центра масс .
Для уменьшения эффектов нагрева крыльев воздушно-космических ЛА разрабатывают разные конструкции самого крыла.
Комбинированная тепловая защита [ИЗ 1840531] - на внешней стороне (8) находится обшивка из кварцевых плиток с внешним радиационным покрытием, прикрепленная к силовому набору, а в зоне отсеков, образованных внешней обшивкой и силовым набором, установлен капиллярно-пористый материал толщиной 2-3 мм, который увлажняется жидким хладагентом с обеспечением отвода испарившегося хладагента.
Рис.8
Еще в 1976 году НПО Энергия предложило использовать для защиты магнитное поле. Температура воздуха, соприкасающегося с кораблем при торможении с первой космической скоростью, достигает ~8000оC, происходит ионизация воздуха. Без наличия внешнего магнитного поля ионы диффундируют в район фюзеляжа, где холоднее, и происходит реакция рекомбинации, из-за которой выделяется тепло. Внутри космолёта (9) возможно устанавливать мощные постоянные магниты, которые создают магнитное поле [АС 1840521], затрудняющее диффузию ионов и электронов к поверхности фюзеляжа, поэтому реакции рекомбинации будут происходить на большем расстоянии от фюзеляжа, нагрева фюзеляжа от тепла этих реакций уменьшится.
Рис.9
Возможна реализация охлаждения размораживанием, когда твердый элемент конструкции переходит в жидкое состояние и эта жидкость отводится за борт или в бортовую магистраль [ИЗ 2033947]. Преимуществом такой конструкции - твердый хладагент до расплавления может являться элементом конструкции.
Коридор входа
Для уменьшения вероятности разогрева и разрушения ЛА при входе в атмосферу необходимо знать и использовать «природные» возможности. Для планет, кроме Меркурия, и спутников (Титан, Энцелад, возможно - Ганимед) с атмосферой надо помнить о т.н. коридоре входа - разнице высот перигея между допустимыми предельными значениями для высот ниже и выше запланированной . Высота ниже запланированной приведет к поломке или сгоранию КА, а выше - к покиданию КА пределов атмосферы. Ширина коридора зависит от допустимых ограничений по тепловой нагрузке и перегрузкам для конкретного аппарата; при параболической скорости - примерно равна: Венера - 113 км, Земля - 105 км, Марс - 1159 км, Юпитер - 113 км, . Но даже в коридоре рассеянная энергия будет огромна. Экстремальный пример - вход аппарата «Галилео» в атмосферу Юпитера со скоростью 47,5 км/сек, за 4 минуты до открытия тормозного парашюта было рассеяно 3,8∙105 мегаджоулей. Температура поверхности составила 15000 К, испарилось 90 кг абляционного материала (при массе аппарата 340 кг).
Интересное преимущество имеет схема аппарата-диска с абляционно охлаждаемым днищем и вакуумной теплозащитой кабины . При входе в атмосферу под углом в 45 градусов кабина такого аппарата будет находиться в зоне практически абсолютного вакуума, что надежно защитит её от разогрева при входе.
Этап «Полёт в космическом пространстве»
В данной работе этот раздел подробно рассматривать не будем, перечислим лишь часть факторов, которые должны быть учтены при разработке и конструировании КЛА , , : ионизирующее излучение, измененное магнитное поле, солнечное излучение (УФ), вакуум (приводит к медленному испарению обшивки КА), метеоритная опасность, температурный градиент, космическое излучение, космический мусор, компоненты топлива.
Кроме того, существенное действие на человека оказывают условия пребывания на борту КА: ускорения, искусственная атмосфера, изоляция, гипокинезия, невесомость.
Компоновки и конструкции космолёта
Проекты космолетов выполняются, в основном, по двум схемам:
. Несущий корпус
. Самолетная.
Компоновка несущий корпус - отсутствуют горизонтальные аэродинамические поверхности, кроме управляющих - щитков, закрылков, рулей высоты и т.п. Предполагалось, что аппараты с несущим корпусом (АНК) будут выводиться в космос с помощью РН . Они имеют больший боковой маневр, чем баллистические аппараты, но тоже весьма ограниченный, а также не имеют вынесенных в поток острых кромок (кроме килей). Однако в процессе испытаний (в основном, в США, аппараты M2-F1, M2-F2 и др. по программе PILOT, ASV и ASE по программе ASSET и аппараты программы PRIME) выяснилось, что АНК имеют низкое аэродинамическое качество (<1 на гиперзвуке), неудовлетворительную устойчивость по крену и высокую скорость снижения, а величина бокового маневра увеличивалась не очень значительно.
Самолетная компоновка. Чаще всего космолет выполняют по схеме «бесхвостка» с дельтавидным крылом малого удлинения. Эта схема отличается значительной величиной бокового маневра, большей, чем у баллистических аппаратов и аппаратов с несущим корпусом. Однако аэро- и термодинамические расчеты крылатой схемы сложнее, а также требуется дополнительная теплозащита острых кромок крыла. Но эти недостатки с лихвой компенсируются достоинствами: возможностью доставить что-либо с орбиты и полным возвратом орбитального блока.
Каждая КС многоразового использования, в отличие от одноразовой РН, несет на себе средства возврата с орбиты или траектории выведения. Одним из таких средств возвращения являются аэродинамические поверхности - корпус или крыло .
1 Дисколёт
Может считаться самостоятельным классом с компоновкой, включающей и «несущий корпус», и «самолет».
Многоразовая воздушно-космическая система [АС 580696] предназначена для выведения на опорную околоземную орбиту ПН, а также возвращения с орбиты на Землю космических объектов с помощью транспортного космического корабля (10). Корпус (фюзеляж) и крыло ступеней и ТКК представляют единое целое корпус-крыло, профиль которого - полудиск для ступеней и диск для ТКК; обе ступени и ТКК в плане окружность или эллипс. Обе ступени и ТКК - пилотируемые и связаны проходами с возможностью перехода из одной кабины в другую.
Рис. 10
Воздушно-космическая взлетная система многократного применения с ЛА в виде диска с каплевидным поперечным профилем [АС 1740251] состоит из подсоединенного к стартовой направляющей ЛА с вакуумной энергетической установкой (ВЭУ) и соединенных со стартовой направляющей аэростатических оболочек - еще один вариант «аэростатного старта» (11).
ВЭУ вакуумирует аэростатические оболочки для подъема ЛА на необходимую высоту и установки стартовой направляющей под необходимым углом. ЛА осуществляет посадку на аэродром или на водную поверхность с сохранением устойчивого положения. Аэростатические оболочки возвращаются на Землю и используются повторно.
Рис.11
Инженеры не отказываются и от идеи ЛА в форме диска и в 21 веке. Дископлан [ПМ 57238] с множеством термоядерных ракетных двигателей на окружности, сможет развивать скорость от 0 до 15 км/с и перевозить грузы на поверхность Луны, осуществлять работы на геостационарной орбите.
Экранолёт ЭКИП стал вдохновителем ЛА тарельчатой конфигурации [ИЗ 2396185] с фюзеляжем в форме диска.
2 Несущий корпус
Для решения целого ряда космических задач может быть использован космический ЛА [ИЗ 2137681] с корпусом в виде монокрыла (12), в котором размещены три связанные между собой фюзеляжа, установлены топливные баки и несколько групп реактивных двигателей - маршевые, взлётно-посадочные, тормозные и газотурбинные. Средства электроснабжения содержат также солнечные батареи.
Рис.12
3. Самолетная компоновка
Предложенные схемы чрезвычайно разнообразны.
Как крылатый «челнок» с полостями,для РН, выполнен КА многоразового использования [ИЗ 2111902]. Это позволяет улучшить управляемость «челнока» на участке выведения из-за устранения несоосности тяги из-за размещения челнока сбоку от РН. КА взлетает вертикально, и по истечении времени работы РН происходит их отделение от «челнока». Похожая идея отбрасывания встроенного РН реализована (или будет реализована) в ракетоплане Lynx.
Интересным и неожиданным является предложение использования для доставки ПН на орбиту аппаратов разного базирования [ИЗ 2120397]. Независимо действующие ЛА - ВКС, базирующийся на орбитальной космической станции, и транспортный самолёт (ТС) наземного базирования вылетают каждый со своей базы. В атмосфере Земли происходит стыковка и обмен грузами во время совместного полёта, расстыковка и возвращение каждого самолёта на точку базирования.
Двухступенчатый космолёт разработки Н.Е.Староверова [ИЗ 2503592] состоит из крылатых первой и второй ступеней и бескрылого твердотопливного ракетного ускорителя (одноразовый), расположенного между ними. Первая ступень и ракетный ускоритель являются беспилотными, вторая ступень - пилотируемая. При старте работают двухконтурные турбореактивные двигатели. Разгон и подъем выполняются с последовательным включением режимов двигателей, под разными углами к горизонтали.
Конечно, особый интерес представляют одноступенчатые системы, способные стартовать с поверхности Земли.
Разработку одноступенчатых КА ведет индийская компания Эдвайзер, Дифэнс Рисерч Энд Дев.оргн - одноступенчатый аэрокосмический самолёт [ПО 51288]. оснащен двумя ВРД и двумя ЖРД, а воздухозаборник - прямоугольной формы.
В США SUNSTAR IM разрабатывает персональный одноступенчатый космолёт «гаражного базирования» . Предполагается, что космолет будет выходить на орбитальную траекторию и, вероятно, стыковаться с орбитальной станцией. Особенность конструкции - возможность складывания шарнирно соединенных с фюзеляжем крыльев (13) для хранения и доставки к месту старта и обратно.
Рис.13
Одно из направлений - туристические космолёты.
Компания «Российский авиационный консорциум» разрабатывает [ПО 78697] суборбитальный туристический самолёт.
МАИ - один из разработчиков проекта аэрокосмической системы научно-спортивного назначения . Система включает суборбитальный ракетоплан с самолётом-носителем МиГ-31С, наземную систему обслуживания и спортивно-технический комплекс подготовки потенциальных экипажей.
Космический туризм - единственное направление, в котором сейчас реализованы космолёты. В 2016 году планируется первый полёт суборбитального аэрокосмического самолёта Lynx, а туристическая суборбитальная капсула SpaceShipTwo и самолёт-носитель WhiteKnightTwo (двухступенчатая система) уже несколько лет находятся в опытной эксплуатации. Однако космический туризм - дорогое удовольствие. Один из энтузиастов авиационного и космического туризма Р. Брэнсон жаловался, что космическое путешествие либо астрономически дорогое: в Советском Союзе (там так написано!) за полёт на МКС с него запросили 30 миллионов долларов, либо неудобное и небезопасное .
На корабле SpaceShipTwo , , установлен гибридный ракетный двигатель с твердым горючим и жидким окислителем. SpaceShipTwo рассчитан на 8 человек - 2 членов экипажа и 8 пассажиров. Цель компании - полеты должны быть безопасны и доступны по цене . Самолёт-носитель WhiteKnightTwo - двухфюзеляжный, между фюзеляжами крепится капсула SpaceShipTwo .
Космический самолет , способный развивать скорость более 0,9 Маха и обеспечивать транс- и/или сверхзвуковой полет, разрабатывает компания ASTRIUM SAS (Airbus), Франция. Самолет оснащен двумя турбореактивными двигателями, работающими при полете в атмосфере, и ракетным двигателем. При выходе их атмосферы воздухозаборники закрываются специальными подвижными куполообразными клапанами, повторяющими форму фюзеляжа самолета.
Суборбитальная одноступенчатая КС Lynx , компании XCOR Aerospace Incompany (США) может применяться для доставки в космос туристов, проведения научных исследований и выведения на низкую орбиту ПН массой до 650 кг с помощью внешнего разгонного блока. Без внешнего отсека с разгонным блоком Lynx может применяться для доставки в космос нескольких туристов или туриста и комплекта научных приборов для проведения исследований космического пространства.
Lynx использует ракетные двигатели многократного включения с искровым зажиганием, работающие на компонентах жидкий кислород - жидкие углеводороды (керосин, метан, этан, изопропанол).
Британская компания Bristol Spaceplanes разрабатывает космолёт для перевозки туристов. Ascender - суборбитальный ракетоплан, может доставить на высоту до 100 км одного пилота и одного пассажира или одного пилота и комплект научной аппаратуры.
Ascender должен положить начало разработке двухступенчатой системы Spacebus, орбитального ЛА, способного перевозить до 50 пассажиров и обеспечить перелет из Европы в Австралию примерно за 75 минут. Так как основу проекта составляют, по возможности, стандартные элементы авиационных и космических систем, стоимость полета Spacebus будет меньше стоимости полета Шаттла в 100 раз.
Новостью 2004 г. стала представленная ЭМЗ им. В.М.Мясищева и «Суборбитальная корпорация» аэрокосмическая система Cosmopolis-XXI (C-XXI) - связка из самолёта-носителя М-55 «Геофизика» и суборбитального ракетоплана . Проект не реализован.
Двигательные установки космолёта
Какой бы хорошей ни была конструкция, каким бы продуманным ни был план полёта, КЛА никуда не полетит без двигателя.
Предполагалось, что для ведущих космических держав уже к концу 1980-х годов обычной задачей будет выведение совокупного полезного груза массой 900 - 1000 тонн. В качестве наиболее перспективных двигателей рассматривались ЯРД с газофазной активной зоной, термоядерные и импульсные термоядерные двигатели .
Любая двигательная система (ДС) должна включать источник энергии, источник рабочего тела (отбрасываемой массы) и собственно двигатель, причем в некоторых типах двигателей источник энергии и рабочее тело совмещены (химические двигатели).
Условно энергетические установки можно разделить на три группы :
1. Автономные - источник энергии и рабочее тело находятся на борту (ЖРД и другие химические, ЯРД);
2. Полуавтономные - ДС с внешними источниками энергии: двигатели, использующие энергию внешних лазеров, СВЧ-генераторов, Солнца («в металле» существуют только ионные и плазменные);
3. Неавтономные двигатели, использующие в качестве рабочего тело атмосферу, межпланетную среду, материал планет и астероидов, а также солнечный ветер (солнечный парус).
Двигатели подразделяются по виду источников энергии, исходному состоянию рабочего тела и другим признакам.
Ни один из существующих ВРД не может применяться на космолете во всех режимах полёта. Поэтому сама концепция с разгоном на ВРД требует комбинированной двигательной установки с двигателями разных типов. Борьба за скорость полёта - прежде всего борьба за повышение мощности и эффективности двигателя.
Рассмотрим некоторые виды перспективные для использования на космолётах двигателей.
Жидкостный реактивный двигатель
ЖРД - наиболее распространенный двигатель КА и РН. Особенностью ЖРД является возможность работы во всем диапазоне высот. Однако ЖРД потребляют большое количество горючего и окислителя, а также имеют относительно невысокую эффективность.
Перспективные направления разработок:
- ЖРД с регулируемой площадью критического сечения; удельный импульс при уменьшенном значении тяги увеличивается на 3-4 % .
- ЖРД с изменяемым в процессе работы соотношения компонентов топлива Кm (окислитель - жидкий кислород, горючее - жидкий водород) в несколько раз (до Кm=15) во время работы камеры сгорания; ввод двигателя на номинальный режим (Кm=6) осуществляется после набора высоты, что обеспечивает высокий удельный импульс тяги; обеспечивается меньший расход водорода и уменьшение габаритов и массы баков.
Гибридные ракетные двигатели (ГРД)
Фактически, ГРД - обычные ракетные двигатели, в которых компоненты топлива находятся в разных фазах, например, жидкое горючее - твердый окислитель,или твердое горючее - жидкий окислитель . По характеристикам ГРД занимают промежуточное положение между ЖРД и РДТТ. Преимущества ГРД - требуют управление подачей только одного компонента, для второго не нужны баки, клапаны, насосы и др., имеют возможность управления тягой и отключения, не требуют отдельных систем охлаждения стенок камеры сгорания: испаряющийся твердый компонент охлаждает стенки. Двигатель именно такого типа установлен на космическом самолёте SpaceShipTwo , .
Прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ПВРД)
ПВРД из-за относительной простоты конструкции, а также возможности работать в широком диапазоне скоростей рассматривается во многих проектах космолётов . В этих проектах ПВРД играют роль основного двигателя для разгона в атмосфере, так как практически не имеют ограничений по максимальной скорости атмосферного полёта. Эффективность и мощность ПВРД возрастают со скоростью и высотой . Один из недостатков ПВРД - для их запуска требуется разгонять аппарат до скоростей около 300 км/ч, а в случае гиперзвуковых ПВРД до сверхзвуковых скоростей с помощью двигателей других типов.
В ПВРД может применяться твердое порошковое горючее, например уголь. Предлагалось использование угольного порошка в качестве первичного горючего в проекте самолёта Li P.13 А.Липпиша.
Самой перспективной конструкцией ПВРД считается гибридный ракетно-прямоточный воздушно-реактивный двигатель . Такой двигатель имеет более высокий удельный импульс, нежели ЖРД, и более высокую тягу на 1 м2 площади сечения, а в ряде случаев и более высокое значение удельного импульса. РПВРД может быть эффективно использован в широком диапазоне скоростей. Состоит из ракетного контура - газогенератора, представляющего собой РДТТ, ЖРД или ГРД, и прямоточного контура.
Применение металлов в качестве горючего обусловлено их высокой активностью, значительным тепловыделением и позволяет создать принципиально новые высокоэффективные ПВРД для управляемых ракет. Преимущества ПВРД на порошкообразном металлическом горючем, использующих в качестве окислителя атмосферный воздух, состоят в том, что они обеспечивают высокие ТТХ, могут использоваться в широких диапазонах скоростей, при этом надежны в обращении и хранении.
Одна из задач конструирования ПВРД - обеспечение полного сгорания топлива. Интересный способ решения предложили сотрудники Корпорации «Тактическое ракетное вооружение» [ИЗ 2439358]. В качестве топлива предложен порошок металла, например алюминия или магния. В форкамере образуется воздушно-порошковая взвесь с избытком воздуха и начинается горение этой смеси. Частицы порошка полностью сгорают в камере дожигания. Образуется реактивная струя.
КБ Химавтоматики совместно с ЦИАМ разрабатывает исследовательский гиперзвуковой ПВРД - осесимметричный гиперзвуковой ПВРД . ГПВРД 58Л с камерой прямоугольного сечения предназначен для экспериментальных исследований рабочих процессов при горении водорода в сверхзвуковом потоке. В 1998 г. успешно проведено летное испытание двигателя, при котором впервые в мире была достигнута скорость 6,35 Маха.
Также были проведены лётные испытания модельного осесимметричного двухрежимного ГПВРД на жидком водороде в диапазоне чисел Маха полёта от 3,5 до 6,5 на высоте до 28 км.
Одновременно учёные ЦИАМ создают новую схему сверхзвукового пульсирующего детонационного прямоточного двигателя (СПДПД) со сверхзвуковым потоком в детонационной камере сгорания и с горением в пульсирующей детонационной волне. Расчеты для водородно−воздушного СПДПД показали, что при полете на высоте H = 25 км он может работать при числах Маха полета м/с от 4,5 до 7,5 .
Ядерный ракетный двигатель (ЯРД)
Использование тепловой энергии реакций деления ядер нестабильных элементов представляется наиболее перспективным направлением развития тепловых ракетных двигателей.
ЯРД - ракетные двигатели, источником энергии для которых является ядерное ракетное топливо ; имеют более высокий удельный импульс, чем самые эффективные ЖРД. Но при этом ЯРД имеют большую массу, чем ЖРД, так как оснащены радиозащитным экраном.
ЯРД расходует малое количество топлива в течение длительного времени и может долгое время работать без дозаправки .
Основные классы ЯРД:
- непосредственного нагрева: рабочее тело нагревается при прохождении через область, содержащую делящееся вещество (РД-0410) ;
- с промежуточной системой преобразования энергии, где ядерная энергия вначале превращается в электрическую, а электрическая используется для нагрева или ускорения рабочего тела, т.е. они представляют собой ядерный реактор и связанные с ним ЭРД («ТОПАЗ 100/40») , .
ЯРД РД-0410 может применяться для разгона, торможения КА и коррекции их орбиты при освоении дальнего космоса. Этот двигатель выполнен по замкнутой схеме, рабочее тело - жидкий водород. Благодаря термодинамическому совершенству рабочего тела и высокой температуре нагрева его в ядерном реакторе (до 3000 К), двигатель имеет высокую экономичность, удельный импульс тяги в вакууме - 910 кгс.с/кг, что вдвое лучше, чем у ЖРД на компонентах водород-кислород и в 1,85 раза выше, чем у водород - фторных ЖРД . Но это также - история. КБХА было поручено разработать ЯРД РД0410 и РД0411 в 1965 г. .
ЯРД прошли многолетние детальные исследования: в течение 70 - 90-хx годов в космосе эксплуатировалось более трёх десятков ядерных электрических установок (ЯЭУ) трёх модификаций, предназначенных для питания электроэнергией аппаратуры КА по принципу преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электричество в полупроводниковом термоэлектрическом генераторе .
Работы по созданию ЯЭУ для КА продолжает АО «Красная звезда» , [ИЗ 2421836], [ИЗ 2507617].
Однако ЯРД и ЯЭУ до сих пор не нашли практического применения даже в демонстрационных полётах, хотя продолжают считаться перспективными для дальних космических полётов. Высказывались и сомнения, нужен ли такой двигатель и будет ли он разработан .
При работе ЯРД испускает радиоактивное излучение, поэтому требуется радиационная защита корабля. В атмосфере требуется полная защита, а в космосе достаточно теневой, когда двигатель экранирован от основного корабля защитным экраном .
Захоронение ЯЭУ после окончания эксплуатации производится переводом на орбиту, где время существования реактора достаточно для распада продуктов деления до безопасного уровня (не менее 300 лет). В случае любых аварий с космическим аппаратом ЯЭУ имеет в своём составе высокоэффективную дополнительную систему радиационной безопасности (ДСРБ), ипользующую аэродинамическое дисперсирование реактора до безопасного уровня .
Вернемся к прогнозам. В 1966 году Ю.Конеччи писал, что по самой пессимистичной оценке ввод в эксплуатацию ЯРД с газофазной активной зоной станет 1990 г. … Прошла четверть века.
Лазерный ракетный двигатель (ЛРД)
Считается, что характеристики ЛРД лежат между характеристиками ЯРД и ЭРД .
ЛРД предназначен для обеспечения тяги ЛА, приводимому в движение плазменной вспышкой, инициированной лазером. С 2002 года КБХА в кооперации с ИЦ им. М.В.Келдыша и НИИНИ оптико-электронных приборов занимается исследованием проблемы создания ЛРД, который существенно экономичнее традиционных двигателей на химическом топливе.
В проекте другого ЛРД [ИЗ 2559030] принцип действия отличается. В камере сгорания с помощью лазера создается непрерывный оптический разряд. Рабочее тело, взаимодействуя с плазмой разряда, приобретает сверхзвуковую скорость.
Фотонный ракетный двигатель - гипотетический ракетный двигатель, создающий тягу в результате направленного истечения из него фотонов, имеет предельное значение удельного импульса, т.к. поток фотонов имеет предельно достижимую скорость - скорость света. . Развитие теории фотонных ракет имеет давнюю историю. По мнению Э.Зенгера фотонные ракеты, приводимых в движение реакцией потока фотонов, выбрасываемых из ракеты, позволят совершать полеты в самые отдаленные области Галактики
Возможно, это вопрос терминологии. Фотонными сейчас иногда называют двигатели с использованием лазера, в 1958 г. лазеры еще не созданы. Фотонный двигатель [ПМ RU 64298] «обычной» конструкции в качестве источника фотонов содержит мощный лазер; отличительная особенность - применение оптического резонатора, что позволяет повысить тягу двигателя.
Еще один фотонный двигатель [ИЗ 2201527] отличается тем, что в нем в качестве резонатора применяется кристалл алмаза и радиальные зеркала. Резонатор также применяется для увеличения тяги.
Электрореактивный двигатель (ЭРД)
ЭРД выбрасывают рабочее тело с помощью электромагнитного поля или нагрева рабочего тела электроэнергией. В большинстве случаев необходимая для работы ЭРД электрическая энергия берется внутренних источников питания (радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГа), аккумуляторов) или от Солнца.
Основные классы ЭРД, рабочие процессы принципиально разные , :
- ионные
- двигатели с азимутальным дрейфом электронов
- сильноточные двигатели
- теплообменные ЭРД.
В ионных ЭРД рабочим телом служат ионы благородного газа (в большинстве проектов - ксенона), а в случае теплообменных электрореактивных двигателей - пары легкоплавких металлов. Первым ксеноновым ионным двигателем, использовавшимся в космосе, был двигатель RITA на миссии Eureca (ESA), проходившей в 1992 году , .
ЭРД имеют достаточно высокий КПД, достигающий 0,7. Именно ЭРД в комбинации ядерным реактором предлагались в качестве основных двигателей прилёта/отлёта для полёта на Марс .
В настоящее время ЭРД применяются на некоторых КА в качестве двигателей ориентации, основных разгонных двигателей межпланетных КА (Deep Space 1, SMART-1), двигателей малой тяги для поддержания и сверхмалых коррекций орбиты .
История разработки ионных двигателей насчитывает не одно десятилетие. Так, одним из источников информации для разработки ионного двигателя компании «Мессершмитт - Бёлков-Блом Гмбх» (ФРГ) [патент 682150] была книга С. Л. Айленберга и А. Л. Хюбнера выпущенная еще в 1961 году.
Области применения космолета
1 Военное применение (получение развединформации о действиях вероятного противника, разведка и поражение космических целей противника и т.п.) , для этого создавались первые космолеты
2 Доставка в космос полезного груза;
3 Доставка на орбитальные станции грузов и экипажа. Сейчас доставка грузов на МКС может быть выполнена только кораблями «Прогресс» (Россия), «Dragon» (США), «Cygnus» (США), «HTV» (Япония); доставка людей - только корабли «Союз» (Россия)
4 Заправка межпланетных кораблей
5 Испытания перспективных ДУ с возможностью их возврата на Землю
6 Захват и доставка на Землю космического мусора
7 Исследование верхних слоев атмосферы
8 Доставка полезного груза на орбиту искусственного спутника Луны (ИСЛ)
9 Инспекция и обслуживание спутников
По современным оценкам, возможное распределение задач, выполняемых космолётом: 57% - космический туризм; 18% - проведение научных исследований; 12% - оперативное дистанционное зондирование и экомониторинг, 8% 5% - подготовка космонавтов и 5% - реализацию рекламных проектов .
В этот перечень не вошло еще одно перспективное направление для космическиж ЛА - добыча планетных полезных ископаемых .
Как показывает анализ, наиболее востребованным в ближайшее время может стать космический туризм.
Предпосылками для этого можно считать стечение ряда обстоятельств:
- широко развита авиация и аэронавтика,
- люди привыкли к полётам,
- накоплен значительный опыт полётов на пилотируемых КА,
- современные технологии производства ЛА гарантируют техническое совершенство и высокую степень надежности ЛА,
- появилось много людей, способных оплатить космический полёт,
- в современном потоке информации становится недостаточно «виртуальных» ресурсов.
Возможные сценарии туристических полётов (вернемся в 1966 - фантазия или фантастика(?)):
- суборбитальные полёты на высоту до 100 км,
- орбитальные, от нескольких часов до нескольких суток.
- орбитальные - 1-2 недели с остановкой в космическом отеле.
- полёты к Луне с выходом на ее орбиту, высадкой на поверхность и проживанием в отеле на поверхности продолжительностью от нескольких недель до нескольких месяцев;
- полёты к Марсу и его спутникам с выходом на орбиту, высадкой на поверхность и проживанием в отеле на поверхности Марса от нескольких дней до нескольких недель.
- облёты Юпитера, Сатурна и их спутников с высадками на поверхность спутников.
Для реализации необходимы надежные и безопасные многоразовые ЛА с малозатратным ремонтом и обслуживанием; конструкционные модули, усложняемые по мере освоения новых маршрутов; повышенная степень комфорта для экипажа и пассажиров; специализированная инфраструктура учебно-тренировочных центров для подготовки к полёту и послеполетной реабилитации; самостоятельная инфраструктура стартовых сооружений, посадочных площадок, управления полётами. Эти же принципы применимы для научных и исследовательских задач.
Заключение
Есть класс задач, требующих решения. Большая часть из них может быть решена с помощью космолётов, в особенности такие, как доставка полезных грузов и экипажа на орбитальные станции, выведение на орбиту автоматических КА, возврат с орбиты устаревших спутников с целями повторного использования их ценных компонентов, мониторинг земной поверхности и орбитальной обстановки, а также возврат с орбиты крупных объектов космического мусора, «развозка» космических туристов. Снова начинаются разработки космолётов. Некоторые из них уже достигли стадии опытной эксплуатации.
Вывод
Теоретические расчеты, исследования, а также пока немногочисленные, но реальные запуски показали возможности систем многократного использования. Сегодняшнее состояние технологий, экономики и политики дают реальный шанс для возобновления и развития построения высокоэффективных аэрокосмических транспортных систем и возможность в среднесрочной перспективе реализации близких полётов, а в долгосрочной - длительных, в том числе межпланетных, полётов различного назначения.
Прогнозы - вещь неблагодарная. По прогнозам, уже полтора десятка лет как мы должны обживать базу на Титане. Но, может быть, в 2030…
Список источников
1 Карпова Л.И. История авиации и космонавтики. Курс лекций в МГТУ. М., 2005
2 Космическая эра. Прогнозы на 2001 год. Ю.Конеччи и др./Пер. с англ. В.С.Емельянова. М.: Мир, 1970
3 Пилотируемая экспедиция на Марс./ П/р А.С.Коротеева. М.: Рос. ак-я космонавтики им. К.Э.Циолковского, 2006
4 Лопота В.А. Космическая миссия поколений XXI века, Полет, №7, 2010
5 Космические крылья. Лукашевич В., Афанасьев И., М.: ООО «ЛенТа Странствий», 2009
6 Феоктистов К.П., Бубнов И.Н. О космолётах, М.: Молодая гвардия, 1982
7 Золотой век космонавтики: мечты и реальность./Афанасьев И., Воронцов Д. М.: Фонд «Русские Витязи», 2015
8 Космонавтика Маленькая энциклопедия. М.: «Сов. Энц.», 1970
9 Боно Ф., Гатланд К. Перспективы освоения космоса. Лондон, 1969. Сокр. пер. с англ. М.: «Машиностр.», 1975
10 www.buran.ru
11 Башилов А.С., Осин М.И. Применение наукоемких технологий в авиакосмической технике: Уч. пос. М.: МАТИ, 2004
12 Шибанов А. Заботы космического архитектора. М.: «ДЕТ. ЛИТ-РА», 1982
13 Славин С.Н. Тайны военной космонавтики. М.: Вече, 2013
14 www.bayterek.kz
15 www.airlaunch.ru
16 www.makeyev.ru
17 www1.fips.ru
18 www.federalspace.ru
19 www.sea-launch.comt
20 www.emz-m.ru
21 Авиапанорама, №5, 2013
22 Парфенов В.А. Возвращение из космоса Научно-популярная библиотека военного издательства. М.: Изд-во Воениздат 1961
23 www.npomash.ru
24 Сборник докладов ученых и специалистов ОАО «ВПК «НПО машиностроения» на XXXVI Академических чтениях по космонавтике, 2012
25 Разработка систем космических аппаратов/ П/р. П.Фортескью, и др.; Пер. с англ. М.: Альпина Паблишер, 2015
26 Акишин А.И., Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов, М.: Знание, 1983
27 Салахутдинов Г. М. Тепловая защита в космической технике. М.: Знание, 1982
28 Молодцов В.А. Пилотируемые космические полёты. 2002
29 ru.espacenet.com
30 www.mai.ru
31 Брэнсон Р. Достичь небес. Пер. с англ. М.: Альпина нон фикшн, 2013
32 www.virgingalactic.com
33 www.thespaceshipcompany.com
34 www.xcor.com
35 bristolspaceplanes.com
36 Соболев И. Летящие по параболе, Техника-Молодёжи, №, 2004
37 Дмитриев А.С., Кошелев В.А. Космические двигатели будущего. М.: Знание, 1982
38 Ерохин Б.Т. Теория и проектирование ракетных двигателей: Уч-к. СПБ.: Изд-во «Лань», 2015
39 www.kbkha.ru
40 Баев Л.К., Меркулов И.А. Самолёт-Ракета. М.: Гос. Изд-во технико-теоретической литературы, 1956
41 www.ciam.ru
42 Бассард Р., Делауэр Р. Ядерные двигатели для самолётов и ракет. Сокр. пер. с англ. Р.Авалова и др., М.: Военное изд-во, 1967
43 Однажды и навсегда... Документы и люди о Валентине Петровиче Глушко, М.: Машиностр., 1998
44 www.redstaratom.ru
45 КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО ХИМАВТОМАТИКИ (брошюра). Воронеж, 2010
46 Зенгер Э. К механике фотонных ракет. Пер. с нем. В.М.Пацкевича; п/р И.М.Халатникова. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1958
47 Электрические ракетные двигатели космических аппаратов/С.Д.Гришин, Л.В.Лесков. М.: Машиностр.,1989
48 Аэрокосмическое обозрение №№3,4,5, 2005
49 Девять месяцев на МКС: репортаж с орбиты. Наука и жизнь, №1, 2016, стр. 39
50 Данилов С. Космос в коллизиях, иллюзиях и окклюзиях, Техника молодежи, №1, 2016
Современные технологии и открытия выводят освоение космоса на совершенно иной уровень, однако межзвездные перелеты пока еще остаются мечтой. Но так ли она нереальна и недостижима? Что мы можем уже сейчас и чего ждать в ближайшем будущем?
11.10.2011, ВТ, 17:27, МскТелескопа "Кеплер" астрономы обнаружили 54 потенциально обитаемые экзопланеты. Эти далекие миры находятся в обитаемой зоне, т.е. на определенном расстоянии от центральной звезды, позволяющем поддерживать на поверхности планеты воду в жидком виде.
Однако ответ на главный вопрос, одиноки ли мы во Вселенной, получить затруднительно - из-за огромной дистанции, разделяющей Солнечную систему и наших ближайших соседей. Например, «перспективная» планета Gliese 581g находится на расстоянии в 20 световых лет – это достаточно близко по космическим меркам, но пока слишком далеко для земных инструментов.
Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от Земли и огромный научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для человечества, заставляют по-новому взглянуть на доселе фантастическую идею межзвездных перелетов.
Ближайшие к нашей Солнечной системе звезды
Полет к другим звездам - это, разумеется, вопрос технологий. Более того, существуют несколько возможностей для достижения столь далекой цели, и выбор в пользу того или иного способа еще не сделан.
Дорогу беспилотникам
Человечество уже отправляло в космос межзвездные аппараты: зонды Pioneer и Voyager. В настоящее время они покинули пределы Солнечной системы, однако их скорость не позволяет говорить о сколь-нибудь быстром достижении цели. Так, Voyager 1, движущийся со скоростью около 17 км/с, даже к ближайшей к нам звезде Проксима Центавра (4,2 световых года) будет лететь невероятно долгий срок - 17 тысяч лет.
Очевидно, что с современными ракетными двигателями мы никуда дальше Солнечной системы не выберемся: для транспортировки 1 кг груза даже к недалекой Проксиме Центавра нужны десятки тысяч тонн топлива. При этом с ростом массы корабля увеличивается количество необходимого топлива, и для его транспортировки нужно дополнительное горючее. Замкнутый круг, ставящий крест на баках с химическим топливом - постройка космического судна весом в миллиарды тонн представляется совершенно невероятной затеей. Простые вычисления по формуле Циолковского демонстрируют, что для ускорения космических аппаратов с ракетным двигателем на химическом топливе до скорости примерно в 10% скорости света потребуется больше горючего, чем доступно в известной вселенной.
Реакция термоядерного синтеза производит энергии на единицу массы в среднем в миллион раз больше, чем химические процессы сгорания. Именно поэтому в 1970-х годах в НАСА обратили внимание на возможность применения термоядерных ракетных двигателей. Проект беспилотного космического корабля Дедал предполагал создание двигателя, в котором небольшие гранулы термоядерного топлива будут подаваться в камеру сгорания и поджигаться пучками электронов. Продукты термоядерной реакции вылетают из сопла двигателя и придают кораблю ускорение.
Космический корабль Дедал в сравнении с небоскребом Эмпайр стейт Билдинг
Дедал должен был взять на борт 50 тыс. тонн топливных гранул диаметром 40 и 20 мм. Гранулы состоят из ядра с дейтерием и тритием и оболочки из гелия-3. Последний составляет лишь 10-15 % от массы топливной гранулы, но, собственно, и является топливом. Гелия-3 в избытке на Луне, а дейтерий широко используется в атомной промышленности. Дейтериевое ядро служит детонатором для зажигания реакции синтеза и провоцирует мощную реакцию с выбросом реактивной плазменной струи, которая управляется мощным магнитным полем. Основная молибденовая камера сгорания двигателя Дедала должна была иметь вес более 218 тонн, камера второй ступени – 25 тонн. Магнитные сверхпроводящие катушки тоже под стать огромному реактору: первая весом 124,7 т, а вторая - 43,6 т. Для сравнения: сухая масса шаттла менее 100 т.
Полет Дедала планировался двухэтапным: двигатель первой ступени должен был проработать более 2 лет и сжечь 16 млрд топливных гранул. После отделения первой ступени почти два года работал двигатель второй ступени. Таким образом, за 3,81 года непрерывного ускорения Дедал достиг бы максимальной скорости в 12,2% скорости света. Расстояние до звезды Барнарда (5,96 световых лет) такой корабль преодолеет за 50 лет и сможет, пролетая сквозь далекую звездную систему, передать по радиосвязи на Землю результаты своих наблюдений. Таким образом, вся миссия займет около 56 лет.
Тор Стенфорда – колоссальное сооружение с целыми городами внутри обода
Несмотря на большие сложности с обеспечением надежности многочисленных систем Дедала и его огромной стоимостью, этот проект реализуем на современном уровне технологий. Более того, в 2009 году команда энтузиастов возродила работу над проектом термоядерного корабля. В настоящее время проект Икар включает 20 научных тем по теоретической разработке систем и материалов межзвездного корабля.
Таким образом, уже сегодня возможны беспилотные межзвездные полеты на расстояние до 10 световых лет, которые займут около 100 лет полета плюс время на путешествие радиосигнала обратно на Землю. В этот радиус укладываются звездные системы Альфа Центавра, Звезда Барнарда, Сириус, Эпсилон Эридана, UV Кита, Росс 154 и 248, CN Льва, WISE 1541-2250. Как видим, рядом с Землей достаточно объектов для изучения с помощью беспилотных миссий. Но если роботы найдут что-то действительно необычное и уникальное, например, сложную биосферу? Сможет ли отправиться к далеким планетам экспедиция с участием людей?
Полет длиною в жизнь
Если беспилотный корабль мы можем начинать строить уже сегодня, то с пилотируемым дело обстоит сложнее. Прежде всего остро стоит вопрос времени полета. Возьмем ту же звезду Барнарда. К пилотируемому полету космонавтов придется готовить со школьной скамьи, поскольку даже если старт с Земли состоится в их 20-летие, то цели полета корабль достигнет к 70-летию или даже 100-летию (учитывая необходимость торможения, в котором нет нужды в беспилотном полете). Подбор экипажа в юношеском возрасте чреват психологической несовместимостью и межличностными конфликтами, а возраст в 100 не дает надежду на плодотворную работу на поверхности планеты и на возвращение домой.
Однако есть ли смысл возвращаться? Многочисленные исследования НАСА приводят к неутешительному выводу: длительное пребывание в невесомости необратимо разрушит здоровье космонавтов. Так, работа профессора биологии Роберта Фиттса с космонавтами МКС показывает, что даже несмотря на активные физические упражнения на борту космического корабля, после трехлетней миссии на Марс крупные мышцы, например икроножные, станут на 50% слабее. Аналогично снижается и минеральная плотность костной ткани. В результате трудоспособность и выживаемость в экстремальных ситуациях уменьшается в разы, а период адаптации к нормальной силе тяжести составит не менее года. Полет же в невесомости на протяжении десятков лет поставит под вопрос сами жизни космонавтов. Возможно, человеческий организм сможет восстановиться, например, в процессе торможения с постепенно нарастающей гравитацией. Однако риск гибели все равно слишком высок и требует радикального решения.
Сложной остается и проблема радиации. Даже вблизи Земли (на борту МКС) космонавты находятся не более полугода из-за опасности радиационного облучения. Межпланетный корабль придется оснастить тяжелой защитой, но и при этом остается вопрос влияния радиации на организм человека. В частности, на риск онкологических заболеваний, развитие которых в невесомости практически не изучено. В начале этого года ученый Красимир Иванов из Германского аэрокосмического центра в Кельне опубликовал результаты интересного исследования поведения клеток меланомы (самой опасной формы рака кожи) в невесомости. По сравнению с раковыми клетками, выращенными при нормальной силе тяжести, клетки, проведшие в невесомости 6 и 24 часа, менее склонны к метастазам. Это вроде бы хорошая новость, но только на первый взгляд. Дело в том, что такой «космический» рак способен находиться в состоянии покоя десятилетия, и неожиданно масштабно распространяться при нарушении работы иммунной системы. Кроме этого, исследование дает понять, что мы еще мало знаем о реакции человеческого организма на длительное пребывание в космосе. Сегодня космонавты, здоровые сильные люди, проводят там слишком мало времени, чтобы переносить их опыт на длительный межзвездный перелет.
Проект Биосфера-2 начинался с красивой, тщательно подобранной и пышущей здоровьем экосистемы…
К сожалению, решить проблему невесомости на межзвездном корабле не так просто. Доступная нам возможность создания искусственной силы тяжести при помощи вращения жилого модуля имеет ряд сложностей. Чтобы создать земную гравитацию, даже колесо диаметром 200 м придется вращать со скоростью 3 оборота в минуту. При таком быстром вращении сила Кариолиса будет создавать совершенно непереносимые для вестибулярного аппарата человека нагрузки, вызывая тошноту и острые приступы морской болезни. Единственное решение этой проблемы - Тор Стенфорда, разработанный учеными Стенфордского университета в 1975 году. Это - огромное кольцо диаметром 1,8 км, в котором могли бы жить 10 тыс. космонавтов. Благодаря своим размерам оно обеспечивает силу тяжести на уровне 0.9-1,0 g и вполне комфортное проживание людей. Однако даже на скорости вращения ниже, чем один оборот в минуту, люди все равно будут испытывать легкий, но ощутимый дискомфорт. При этом если подобный гигантский жилой отсек будет построен, даже небольшие сдвиги в развесовке тора повлияют на скорость вращения и вызовут колебания всей конструкции.
…а закончился экологической катастрофой
В любом случае корабль на 10 тыс. человек – сомнительная затея. Для создания надежной экосистемы для такого числа людей нужно огромное количество растений, 60 тыс. кур, 30 тыс. кроликов и стадо крупного рогатого скота. Только это может обеспечить диету на уровне 2400 калорий в день. Однако все эксперименты по созданию таких замкнутых экосистем неизменно заканчиваются провалом. Так, в ходе крупнейшего эксперимента «Биосфера-2» компании Space Biosphere Ventures была построена сеть герметичных зданий общей площадью 1,5 га с 3 тыс. видами растений и животных. Вся экосистема должна была стать самоподдерживающейся маленькой «планетой», в которой жили 8 человек. Эксперимент длился 2 года, но уже после нескольких недель начались серьезные проблемы: микроорганизмы и насекомые стали неконтролируемо размножаться, потребляя кислород и растения в слишком больших количествах, также оказалось, что без ветра растения стали слишком хрупкими. В результате локальной экологической катастрофы люди начали терять вес, количество кислорода снизилось с 21% до 15%, и ученым пришлось нарушить условия эксперимента и поставлять восьмерым «космонавтам» кислород и продукты.
Таким образом, создание сложных экосистем представляется ошибочным и опасным путем обеспечения экипажа межзвездного корабля кислородом и питанием. Для решения этой проблемы понадобятся специально сконструированные организмы с измененными генами, способные питаться светом, отходами и простыми веществами. Например, большие современные цеха по производству пищевой водоросли хлореллы могут производить до 40 т суспензии в сутки. Один полностью автономный биореактор весом несколько тонн может производить до 300 л суспензии хлореллы в сутки, чего достаточно для питания экипажа в несколько десятков человек. Генетически модифицированная хлорелла могла бы не только удовлетворять потребности экипажа в питательных веществах, но и перерабатывать отходы, включая углекислый газ. Сегодня процесс генетического инжиниринга микроводорослей стал обычным делом, и существуют многочисленные образцы, разработанные для очистки сточных вод, выработки биотоплива и т.д.
Замороженный сон
Практически все вышеперечисленные проблемы пилотируемого межзвездного полета могла бы решить одна очень перспективная технология – анабиоз или как его еще называют криостазис. Анабиоз - это замедление процессов жизнедеятельности человека как минимум в несколько раз. Если удастся погрузить человека в такую искусственную летаргию, замедляющую обмен веществ в 10 раз, то за 100-летний полет он постареет во сне всего на 10 лет. При этом облегчается решение проблем питания, снабжения кислородом, психических расстройств, разрушения организма в результате воздействия невесомости. Кроме того, защитить отсек с анабиозными камерами от микрометеоритов и радиации проще, чем обитаемую зону большого объема.
К сожалению, замедление процессов жизнедеятельности человека – это чрезвычайно сложная задача. Но в природе существуют организмы, способные впадать в спячку и увеличивать продолжительность своей жизни в сотни раз. Например, небольшая ящерица под названием сибирский углозуб способна впадать в спячку в тяжелые времена и десятилетиями оставаться в живых, даже будучи вмороженной в глыбу льда с температурой минус 35-40°С. Известны случаи, когда углозубы проводили в спячке около 100 лет и, как ни в чем не бывало, оттаивали и убегали от удивленных исследователей. При этом обычная «непрерывная» продолжительность жизни ящерицы не превышает 13 лет. Удивительная способность углозуба объясняется тем, что его печень синтезирует большое количество глицерина, почти 40 % от веса тела, что защищает клетки от низких температур.
Биореактор для выращивания генетически модифицированных микроводорослей и других микроорганизмов может решить проблему питания и переработки отходов
Главное препятствие для погружения человека в криостазис – вода, из которой на 70% состоит наше тело. При замерзании она превращается в кристаллики льда, увеличиваясь в объеме на 10%, из-за чего разрывается клеточная мембрана. Кроме того, по мере замерзания растворенные внутри клетки вещества мигрируют в оставшуюся воду, нарушая внутриклеточные ионообменные процессы, а также организацию белков и других межклеточных структур. В общем, разрушение клеток во время замерзания делают невозможным возвращение человека к жизни.
Однако существует перспективный путь решения этой проблемы - клатратные гидраты. Они были обнаружены в далеком 1810 году, когда британский ученый сэр Хэмфри Дэви подал в воду хлор под высоким давлением и стал свидетелем образования твердых структур. Это и были клатратные гидраты – одна из форм водяного льда, в который включен посторонний газ. В отличие от кристаллов льда, клатратные решетки менее твердые, не имеют острых граней, зато имеют полости, в которые могут «спрятаться» внутриклеточные вещества. Технология клатратного анабиоза была бы проста: инертный газ, например, ксенон или аргон, температура чуть ниже нуля, и клеточный метаболизм начинает постепенно замедляться, пока человек не впадает в криостазис. К сожалению, для образования клатратных гидратов требуется высокое давление (около 8 атмосфер) и весьма высокая концентрация газа, растворенного в воде. Как создать такие условия в живом организме, пока неизвестно, хотя некоторые успехи в этой области есть. Так, клатраты способны защитить ткани сердечной мышцы от разрушения митохондрий даже при криогенных температурах (ниже 100 градусов Цельсия), а также предотвратить повреждение клеточных мембран. Об экспериментах по клатратному анабиозу на людях речь пока не идет, поскольку коммерческий спрос на технологии криостазиса невелик и исследования на эту тему проводятся в основном небольшими компаниями, предлагающими услуги по заморозке тел умерших.
Полет на водороде
В 1960 году физик Роберт Бассард предложил оригинальную концепцию прямоточного термоядерного двигателя, который решает многие проблемы межзвездного перелета. Суть заключается в использовании водорода и межзвездной пыли, присутствующих в космическом пространстве. Космический корабль с таким двигателем сначала разгоняется на собственном горючем, а затем разворачивает огромную, диаметром тысячи километров воронку магнитного поля, которое захватывает водород из космического пространства. Этот водород используется в качестве неисчерпаемого источника топлива для термоядерного ракетного двигателя.
Применение двигателя Бассарда сулит огромные преимущества. Прежде всего за счет «дармового» топлива есть возможность двигаться с постоянным ускорением в 1 g, а значит - отпадают все проблемы, связанные с невесомостью. Кроме того двигатель позволяет разогнаться до огромной скорости - в 50% от скорости света и даже больше. Теоретически, двигаясь с ускорением в 1 g, расстояние в 10 световых лет корабль с двигателем Бассарда может преодолеть примерно за 12 земных лет, причем для экипажа из-за релятивистских эффектов прошло бы всего 5 лет корабельного времени.
К сожалению, на пути создания корабля с двигателем Бассарда стоит ряд серьезных проблем, которые нельзя решить на современном уровне технологий. Прежде всего необходимо создать гигантскую и надежную ловушку для водорода, генерирующую магнитные поля гигантской силы. При этом она должна обеспечивать минимальные потери и эффективную транспортировку водорода в термоядерный реактор. Сам процесс термоядерной реакции превращения четырех атомов водорода в атом гелия, предложенный Бассардом, вызывает немало вопросов. Дело в том, что эта простейшая реакция трудноосуществима в прямоточном реакторе, поскольку она слишком медленно идет и, в принципе, возможна только внутри звезд.
Однако прогресс в изучении термоядерного синтеза позволяет надеяться, что проблема может быть решена, например, использованием «экзотических» изотопов и антиматерии в качестве катализатора реакции.
Сибирский углозуб может впадать в анабиоз на десятилетия
Пока изыскания на тему двигателя Бассарда лежат исключительно в теоретической плоскости. Необходимы расчеты, базирующиеся на реальных технологиях. Прежде всего, нужно разработать двигатель, способный произвести энергию, достаточную для питания магнитной ловушки и поддержания термоядерной реакции, производства антиматерии и преодоления сопротивления межзвездной среды, которая будет тормозить огромный электромагнитный «парус».
Антиматерия в помощь
Возможно, это звучит странно, но сегодня человечество ближе к созданию двигателя, работающего на антиматерии, чем к интуитивно понятному и простому на первый взгляд прямоточному двигателю Бассарда.
Термоядерный реактор на дейтерии и тритии может генерировать 6х1011 Дж на 1 г водорода – выглядит внушительно, особенно если учесть, что это в 10 миллионов раз более эффективно, чем химические ракеты. Реакция материи и антиматерии производит приблизительно на два порядка больше энергии. Когда речь идет об аннигиляции, расчеты ученого Марка Миллиса и плод его 27-летнего труда не выглядят такими уж удручающими: Миллис рассчитал затраты энергии на запуск космического корабля к Альфе Центавра и выяснил, что они составят 10 18 Дж, т.е. практически годовое потребление электричества всем человечеством. Но это всего один килограмм антивещества.
Зонд разработки Hbar Technologies будет иметь тонкий парус из углеродного волокна, покрытого ураном 238. Врезаясь в парус, антиводород будет аннигилировать и создавать реактивную тягу
В результате аннигиляции водорода и антиводорода образуется мощный поток фотонов, скорость истечения которого достигает максимума для ракетного двигателя, т.е. скорости света. Это идеальный показатель, который позволяет добиться очень высоких околосветовых скоростей полета космического корабля с фотонным двигателем. К сожалению, применить антиматерию в качестве ракетного топлива очень непросто, поскольку во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, которое убьет космонавтов. Также пока не существует технологий хранения большого количества антивещества, да и сам факт накопления тонн антиматерии, даже в космосе далеко от Земли, является серьезной угрозой, поскольку аннигиляция даже одного килограмма антиматерии эквивалентна ядерному взрыву мощностью 43 мегатонны (взрыв такой силы способен превратить в пустыню треть территории США). Стоимость антивещества является еще одним фактором, осложняющим межзвездный полет на фотонной тяге. Современные технологии производства антивещества позволяют изготовить один грамм антиводорода по цене в десяток триллионов долларов.
Однако большие проекты по исследованию антиматерии приносят свои плоды. В настоящее время созданы специальные хранилища позитронов, «магнитные бутылки», представляющие собой охлажденные жидким гелием емкости со стенками из магнитных полей. В июне этого года ученым ЦЕРНа удалось сохранить атомы антиводорода в течение 2000 секунд. В Университете Калифорнии (США) строится крупнейшее в мире хранилище антивещества, в котором можно будет накапливать более триллиона позитронов. Одной из целей ученых Калифорнийского университета является создание переносных емкостей для антивещества, которые можно использовать в научных целях вдали от больших ускорителей. Этот проект пользуется поддержкой Пентагона, который заинтересован в военном применении антиматерии, так что крупнейший в мире массив магнитных бутылок вряд ли будет ощущать недостаток финансирования.
Современные ускорители смогут произвести один грамм антиводорода за несколько сотен лет. Это очень долго, поэтому единственный выход: разработать новую технологию производства антиматерии или объединить усилия всех стран нашей планеты. Но даже в этом случае при современных технологиях нечего и мечтать о производстве десятков тонн антиматерии для межзвездного пилотируемого полета.
Однако все не так уж печально. Специалисты НАСА разработали несколько проектов космических аппаратов, которые могли бы отправиться в глубокий космос, имея всего один микрограмм антивещества. В НАСА полагают, что совершенствование оборудования позволит производить антипротоны по цене примерно 5 млрд долл. за 1 грамм.
Американская компания Hbar Technologies при поддержке НАСА разрабатывает концепцию беспилотных зондов, приводимых в движение двигателем, работающем на антиводороде. Первой целью этого проекта является создание беспилотного космического аппарата, который смог бы менее чем за 10 лет долететь к поясу Койпера на окраине Солнечной системы. Сегодня долететь в такие удаленные точки за 5-7 лет невозможно, в частности, зонд НАСА New Horizons пролетит сквозь пояс Койпера через 15 лет после запуска.
Зонд, преодолевающий расстояние в 250 а.е. за 10 лет, будет очень маленьким, с полезной нагрузкой всего 10 мг, но ему и антиводорода потребуется немного – 30 мг. Теватрон выработает такое количество за несколько десятилетий, и ученые смогли бы протестировать концепцию нового двигателя в ходе реальной космической миссии.
Предварительные расчеты также показывают, что подобным образом можно отправить небольшой зонд к Альфе Центавра. На одном грамме антиводорода он долетит к далекой звезде за 40 лет.
Может показаться, что все вышеописанное - фантастика и не имеет отношения к ближайшему будущему. К счастью, это не так. Пока внимание общественности приковано к мировым кризисам, провалам поп-звезд и прочим актуальным событиям, остаются в тени эпохальные инициативы. Космическое агентство НАСА запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технологического фундамента для межпланетных и межзвездных полетов. Эта программа не имеет аналогов в истории человечества и должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов других профессий со всего мира. С 30 сентября по 2 октября 2011 года в Орландо (штат Флорида) состоится симпозиум, на котором будут обсуждаться различные технологии космических полетов. На основании результатов таких мероприятий специалисты НАСА будут разрабатывать бизнес-план по оказанию помощи определенным отраслям и компаниям, которые разрабатывают пока отсутствующие, но необходимые для будущего межзвездного перелета технологии. Если амбициозная программа НАСА увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться с такой же легкостью, как сегодня перелетаем с материка на материк.
Михаил Левкевич
РаспечататьИсторико-исследовательская работа на тему
« Какое будущее у аэрокосмического транспорта? »
SpaceX — Дорога в будущее
Об истории и перспективах развития компании SpaceX
Научный руководитель: Гибатов Ильдар Рафисович, учитель истории МОБУ СОШ №2 с. Бижбуляк.
Гипотеза исследования: в будущем можно будет использовать проекты SpaceX как универсальный аэрокосмический транспорт.
Цель работы : выяснить, можно ли для развития аэрокосмического транспорта использовать проекты Space X.
Задачи:
- Изучить историю компании;
- Изучить эволюцию ракетоносителей SpaceX;
- Изучить перспективы проектов
Методы исследования :
- Изучение и анализ литературы и соответствующих сайтов в сети Интернет;
- Анализ отчетов компании;
- Сравнение с отечественными идеями.
Объект исследования: частная космическая компания Space Exploration Technologies
Проект SpaceX. История проекта
Путём изучения литературы и источников в сети Интернет я узнаю о проекте SpaceX, ее основателе, истории создания компании. В ходе исследований изучаю ее ракетоносители и привожу их технические характеристики, разбираю причины неудачных запусков.
Перспективы ракетоносителей SpaceX
Продолжая знакомиться со SpaceX, я выяснил, что следующим развитием ее ракет является РН Falcon Heavy — ракета сверхтяжелого класса, она будет способна доставить полностью загруженный космический корабль Dragon на Марс, или на Юпитер. Также узнаю, что в ней будет использована уникальная система перекрестной подачи топлива.
Двигатели, разработанные в компании SpaceX
Компания SpaceX в своих РН использует двигатели собственной разработки Merlin, которые работают по схеме открытого цикла. Данная схема проста, надёжна, и недорогая в создании и использовании, также это с большим заделом на будущее, способствует использованию многоразовых систем. Привожу сравнение тяги двигателя с другими и их стоимость, вычисляю тяговооруженность двигателя.
Reusable — многоразовость
Исследуя ракетоносители и двигатели компании, я узнал о проекте возвращаемой первой ступени ракетоносителей компании SpaceX. Я выяснил, что таким способом стоимость запуска снижается на ~60%. И эти средства компания может вложить в свои будущие разработки и перспективы.
В 2004 году компания начала разрабатывать корабль Dragon, свой первый полёт он совершил в декабре 2010 года. Уникальность Dragon заключается в возможности возвращать грузы с МКС на Землю и это первый корабль, произведенный частной компанией, который пристыковался к МКС. Узнаю, что в перспективе корабля — уникальная миссия «Mars 2020».
Заключение
На основании всех приведенных материалов я пришел к выводу, что в будущем можно будет использовать проект SpaceX для аэрокосмического транспорта.
Список использованной литературы
- Эшли Вэнс — Илон Маск. Tesla, SpaceX и дорога в будущее. (Издательство: Олимп-Бизнес; 2015 г.; ISBN 978-5-9693-0307-2, 978-0-06-230123-9, 978-59693-0330-0)
- В.А. Афанасьев — Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов (Издательство: М.: Изд-во МАИ.; 1994 г.; ISBN: 5-7035-0318-3)
- В. Максимовский — «Ангара-Байкал. О разгонном ракетном модуле многоразового использования »
- Официальный сайт SpaceX — http://spacex.com
- Официальный YouTube-канал SpaceX — https://goo.gl/w6x3gW
- Материал из Википедии — https://ru.wikipedia.org/wiki/SpaceX
Через 10 лет наша отрасль преобразуется, заявил Денис Мюленберг, генеральный директор, президент и председатель корпорации Боинг. Он предсказывает производство ракет, низкоорбитальных космических аппаратов и увеличение числа обычных пассажирских самолётов, но какими бы они ни были, Боинг будет их производить.
Выступая на GeekWire Summit, Мюленберг сказал, что в будущем между воздушными и космическими перевозками уже не будет чёткого разграничения, напротив, произойдёт интеграция этих видов перевозок, которая включит в себя персональные воздушные такси, традиционные самолёты, сверхзвуковой транспорт и коммерческие космические корабли.
«В течение десятилетия вам предстоит увидеть, как низкоорбитальные космические путешествия станут гораздо более привычными, чем сегодня. Космический туризм, фабрики в космосе… таковы составляющие экосистемы, которая возникает сегодня, и мы будем активно участвовать в создании транспортных систем для обеспечения доступа к этим объектам».
Участие Боинг в этом интегрированном будущем сосредоточено вокруг космического корабля CST-100 Starliner, который компания намеревается ввести в строй для транспортировки астронавтов уже в будущем году. «Можно считать, что это будет наш первый аппарат в ряду тех, которые в будущем образуют портфолио коммерческих космических устройств, выпускаемых наряду с нашими коммерческими самолётами», – добавил Мюленберг.
Если план именно таков, начало его реализации оказалось непростым. Недавние испытания одной из систем Starliner оказались неудачными, после чего Боинг перенёс следующие испытания с августа на конец текущего года или на начало следующего. С учетом недавней аварии ракеты-носителя «Союз» на разработчиков космического транспорта, таких как Боинг и SpaceX, будет возлагаться больше надежд в смысле производства функционально эффективных и безопасных аппаратов для обслуживания Международной космической станции (МКС).
Не исключено, что насыщенность воздушного пространства летательными аппаратами будет возрастать, и тогда потребуются более развитые средства управления воздушными перевозками. Боинг уже сотрудничает с NASA и другими компаниями в 35-миллиардном проекте создания такой системы нового поколения для воздушного пространства США; эта система должна быть готова к 2030 году.
Если Боинг собирается стать главным игроком в аэрокосмической отрасли, компании необходимо решать проблемы уже применительно к нынешней продукции. Например, этим летом была проблема с поставками большого количества Боинг-737, которые не могли быть отправлены заказчикам из-за отсутствия двигателей. Впрочем, это не сказалось на финансовых показателях Боинг, которые во втором квартале выглядели хорошо.
Лидируя в аэрокосмической отрасли, Боинг испытывает значительную конкуренцию со стороны Airbus (в воздухе) и SpaceX (в космосе). Это не мешает Мюленбергу мечтать о космическом транспорте: он многократно повторил, что первые люди, которые высадятся на Марсе, сделают это с помощью ракеты, построенной в Боинг.
сайт: В конце этой заметки приводится ссылка на статью об успехах аэрокосмического сектора во втором квартале 2018 года. В целом по сравнению с прошлым годом в этом квартале сектор увеличил выручку на 7.6%: в том числе: Lockheed Martin – $13.4 миллиарда, плюс 23.5%, Airbus – $17.16, плюс 8% (благодаря успеху А320 neo), $24.26, плюс 6%. Отмечается, что наряду с сообщениями об успехах, компании отрасли выражают озабоченность по поводу разворачивающихся торговых войн, к которым аэрокосмический сектор особенно чуток из-за характерного для отрасли глобального характера цепочек поставок.
Офис Boeing в Чикаго (фотография с сайта компании)