Многоразовые орбитальные космические системы (вернее – отдельные их компоненты) уже эксплуатировались. Самым известным их примером является американский «Спейс Шаттл», в котором многократно использовались два твердотопливных стартовых ускорителя и орбитальный аппарат – воздушно-космический самолет. Первые приводнялись в океан на неуправляемых парашютах, а второй совершал планирующую посадку на специальный аэродром очень больших размеров на высохшем соляном озере. Центральный топливный бак, из которого питались жидкостные ракетные двигатели орбитального аппарата, разрушался при падении.
31 марта 2017 г.
Фото: ТАСС // i.ytimg.com
Задача обеспечения многоразового применения космического аппарата, силовые, тепловые, акустические и иные нагрузки на который намного больше, чем те, что действуют на самый скоростной сверхзвуковой самолет, оказалась намного сложнее, чем предполагали и организаторы проекта Space Shuttle из американского Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства NASA и конструкторы системы из фирмы Rockwell International. Они предполагали, что каждый из четырех «космических челноков» совершит по 100 полетов и будет эксплуатироваться не менее 30 лет. Однако на деле начиная с первого старта шаттла «Колумбия» 12 апреля 1981 г. и до последнего полета корабля «Атлантис» 8 июля 2011 г. все корабли стартовали только 135 раз, хотя их построили не четыре, а пять, темп их полетов был намного ниже планового.
Одной из главных причин досрочного прекращения эксплуатации чрезвычайно дорогостоящей системы «Спейс Шаттл» стали две катастрофы, связанные именно с высоконагруженными частями ее многоразовых компонентов.
28 января 1986 г. погиб «Челленджер» из-за негерметичности уплотнительного кольца стартового ускорителя. Это вызвало прорыв наружу горячих газов, появление нештатных аэродинамических сил и разрушение центрального топливного бака.
1 февраля 2003 г. погибла «Колумбия» – ее теплозащитный экран был поврежден на старте отвалившимся куском теплоизоляции центрального бака и при входе в атмосферу космический челнок разрушился от нерасчетных тепловых и аэродинамических нагрузок.
Задача, которую поставил глава компании SpaceX Илон Маск одновременно и проще, и сложнее той, что решали конструкторы «Спейс Шаттла». С одной стороны пока многоразовой у ракеты-носителя Falcon 9 является только первая ступень, а она не разгоняется до космических скоростей, следовательно, действующие на нее «гиперзвуковые» нагрузки сравнительно невелики. Тем не менее, они сравнимы с теми, что действовали на ускорители «Спейс Шаттла», оказавшиеся «слабым звеном» всей системы.
Очевидно, способ приземления, вернее – приводнения этих ускорителей с помощью парашютов был не совсем удачен. Хотя первопричины катастрофы «Челенджера», а вернее того, что же именно привело к прогару уплотнительного кольца, все еще обсуждаются, не исключено, что «виноваты» именно повторяющиеся ударные нагрузки на корпус ускорителя – ведь удар при приводнении является жестким.
Маск пошел по другому пути – первая ступень «Фалкона-9» садится управляемо вертикально. Ускорение и соответственно перегрузка в момент касания при этом получается гораздо ниже и смягчается амортизацией опор шасси. Но с другой стороны конструкция ступени испытывает другие нагрузки, создаваемые потоками горячих газов от семи жидкостных ракетных двигателей «Мерлин». Они подобны по своей природе силам, действующим на самолет, совершающий вертикальную посадку, но гораздо больше их по величине. Если даже для такого самолета, как «Харриер» или Як-38 это важный фактор, влияющий на ресурс планера (корпуса), то для вертикально садящейся ракеты – тем паче.
Кроме того, вертикальная посадка создает весьма значительные дополнительные нагрузки и на сами двигатели. В конструкции работающих на керосине и жидком кислороде ЖРД Merlin используются решения, которые были основой силовой установки лунного модуля космического корабля «Аполлон». В частности, это штифтовые форсунки подачи топлива. Хотя они штатно сработали во всех полетах лунного модуля, сами их создатели считали эти узлы «критическим элементом» всей программы Apollo, и даже сейчас их ресурсные характеристики еще под вопросом.
Фото: www.fainaidea.com
Фото: naked-science.ru
И тем не менее, Илон Маск и компания «СпейсХ» применили именно такие форсунки. Да, это старая технология, но и с ней они сделали большой шаг вперед. До того никто не делал повторного полета ракетной системы с вертикальной посадкой. Теперь «СпейсХ» ставит перед собой новую цель – выйти на темп использования первой ступени в режиме «один раз в сутки», то есть обеспечить ее готовность к повторному запуску через 24 часа после посадки. Сейчас на повторный полет «Фалкона-9» требуется 4 месяца различных работ.
Это необходимо для сокращения стоимости запусков для заказчиков. Сейчас назначенный ресурс первой ступени – 10 полетов и цена однократного использования РН «Фалкон-9» 62 миллиона долларов. Маск объявил о том, что он в обозримом будущем снизит эту сумму на 30%, а затем доведет ресурс ступени до ста полетов, а цену полета уменьшит до 620.000 USD по нынешнему курсу.
Однако у него «за спиной» все еще маячит проблема надежности. Слишком большой процент неудач заставляет привлекать клиентов скидками – если заказчик согласен на вывод своего груза с повторным использованием первой ступени ракеты-носителя «Фалкон-9», полет будет стоить ему на 10% меньше, чем на новой ракете. Естественно, это вынужденный ход, однако как говорится, терпенье и труд все перетрут. Инженеры SpaceX напряженно работают над своими ошибками, совершенствуют свое изделие и со временем оно может стать в один ряд с самыми совершенными космическими системами «больших» фирм, хотя вряд ли сможет существенно потеснить их на рынке космических запусков. Может быть, их планы и обещания слишком оптимистичны, но определенную пользу их усилия уже принесли.
Важно и другое – идеи, использованные в многоразовой первой ступени РН «Фалкон-9» можно использовать в возвращаемых посадочных модулях автоматических и пилотируемых межпланетных кораблей, ведь на Луне или на Марсе пока нет ни космодромов, ни посадочных полос и там возможны пока только вертикальная посадка и вертикальный же взлет. Способность высадочного модуля сделать не одну посадку на другую планету за один полет, а несколько и посетить разные ее места многократно увеличит ценность экспедиции, ее практические научные результаты.
