Техника - молодёжи 2011-08, страница 13
ТЕХНИКА - МОЛОДЕЖИ №9351 август2011 КОСМОС 11 типа Space Shuttle или «Буран» они используются только при полёте в плотных слоях атмосферы и посадке, остальное время являясь паразитным грузом, да ещё нуждаются в сложной теплозащите и требуют повышенной точности ориентации при входе в атмосферу. Однако при использовании крыльев на 1-й ступени ракеты-носителя ситуация в корне меняется. Во-первых, скорость, которой достигает 1-я ступень, существенно меньше круговой (с которой приходится иметь дело крыльям Shuttle). А ведь аэродинамический нагрев пропорционален квадрату скорости -если скорость меньше в два раза, то нагрев - почти в четыре! В результате требования к теплозащитным покрытиям резко снижаются. Во-вторых, в многоступенчатых системах «цена» килограмма конструкции для разных ступеней далеко не одинакова. Очень приближённо можно сказать, что лишний килограмм конструкции 1-й ступени увеличивает массу ракеты где-то на 2 кг, тогда как дополнительный килограмм на 2-й ступени - уже на 15-20 кг! Но масса конструкции ракетных блоков со средствами спасения и возвращения всё равно будет больше, чем без них. Т.е. массовая эффективность такой частично-многоразовой РН снижается. Стоит ли овчинка выделки? Выросшая масса носителя требует большей тяги двигателей, перехода к многодвигательной силовой установке. Поскольку суммарная тяга должна быть кратной целому числу двигателей, реально она получится с некоторым избытком. Сочетание избыточной тяги многодвигательной установки и многоразовое™ ракетных блоков позволяет совершенно по-новому подойти к надёжности ракетно-космической системы и безопасности её эксплуатации. Становится возможным иметь на борту т.н. «горячий резерв»: в случае отказа одного из двигателей и его своевременного отключения носитель не только продолжит полёт, но и выполнит задачу, т.е. выведет полезный груз на заданную орбиту! Т.е. надёжность СИСТЕМЫ повысится, при том, что надёжность её составных частей останется на достигнутом уровне. В результате суммарная стоимость эксплуатации многоразовой СИСТЕМЫ получится МЕНЬШЕ, чем одноразовой при ТОЙ ЖЕ вероятности успешного решения целевой задачи! Можно ли применить указанные меры - огневые испытания каждого двигателя и «горячее» резервирование силовой установки - на одноразовых носителях? Можно, но это вызовет существенный рост их стоимости и будет оправдано только при запуске сверхдорогих - в семь и более раз дороже ракеты - и уникальных полезных нагрузок. Да и то, возможный экономический эффект от повышения надёжности не превысит погрешности экономических расчётов. Однако на каком же топливе должна летать многоразовая ракетно-космическая система (МРКС)? Твёрдое следует сразу исключить, прежде всего в силу его существенно меньшей энергоёмкости: скорость истечения продуктов сгорания даже лучших твёрдых топлив на 25-30% меньше, чем даже худших жидких. Исключаются и высококипящие компоненты, такие как азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин. Во-первых, их энергетика тоже оставляет желать лучшего. Во-вторых всё более ужесточающиеся экологические требования не допускают их использования на перспективных комплексах. Наконец, сложные синтетические компоненты просто крайне дороги в производстве. Наибольший интерес представляют керосин, жидкие водород и метан в качестве горючего и жидкий кислород в качестве окислителя. Пара «жидкий водород - жидкий кислород» имеет максимальную энергетическую эффективность, что важно при неизбежном росте массы конструкции МРКС. Но она же связана и с наибольшими техническими проблемами. Во-первых, водород кипит при температуре -253° С. Это гораздо ниже освоенных промышленностью «азотных» и «кислородных» температур, требует резкого улучшения свойств теплоизоляции и повышения хладостой-кости материалов. Во-вторых, водород активно взаимодействует со многими материалами, особенно металлами, вызывая их охрупчивание. В-третьих, водород крайне текуч, и микротрещины, которые другой компонент и не заметит, для крохотных молекул водорода будут «широкой дорогой» наружу. В-четвёртых, смешиваясь с кислородом окружающего воздуха, водород образует гремучий газ. Всё это в принципе решаемо, но требует не только технического перевооружения, но и - что, пожалуй, важнее - качественного изменения культуры производства. Кроме того, у жидкого водорода есть ещё одна черта, неприятная для конструкторов ракетной техники: его плотность всего-навсего 71 кг/м3. Значит, несмотря на то, что требуемая масса компонента будет меньше, размеры баков будут больше, может вырасти - хоть и не прямо пропорционально - и их масса. Важное преимущество: отказавший в полёте двигатель многоразового блока после посадки можно осмотреть, выявить причину отказа (что крайне сложно сегодня, когда после падения отработанных блоков от двигателя остаются деформированные обломки) и провести соответствующие доработки - и по ЭТОЙ причине впредь отказов уже не будет. Таким образом, внедрение жидкого водорода может замедлить создание МРКС. Однако решать эти проблемы всё равно придётся, и не только потому, что как ракетное горючее этот компонент наиболее энергоёмок. Дело в том, что он же является и наилучшим рабочим телом для ядерных ракетных двигателей, и для существующих пока только на бумаге термо |
