Как выглядит ракета изнутри: хочу все знать
#1
Общий вид ракеты. Для того, чтобы добраться до внутренности ракеты, необходимо понять, как выглядит ракета вообще, и из каких деталей она состоит. Ракета представляет собой цилидрический корпус и обтекатель в виде конуса. Внешняя геометрия, как видно, довольна проста. Ее можно более подробнее рассмотреть на видео, которое показывает то, как сбивают ракеты, а также запуски. Что же находится под корпусом? Ракета состоит из нескольких ступеней, которые отбрасываются по мере расхода топлива предыдущей. Как правило, их три. Самая большая — это первая, средняя — вторая, ну а самая маленькая — третья (ее называют разгонный блок) . Каждая ступень состоит из бака с горючим, с бака окислителя, двигательной установки. Под обтекателем и частично под корпусом находится полезный груз, который необходимо вывести на орбиту.
Подробная конструкция ракеты. Тому, как летает ракета, конструкция обязана двигательной установке, которая легко угадывается по огромным соплам, выглядывающим из торца корпуса. Как уже было сказано выше, каждая ступень имеет свой двигатель. Он располагается в отсеке корпуса, который не требует герметичности. Тоже самое касается и переходных отсеков между ступенями. Последние, кстати, могут иметь вид фермы (конструкция из арматуры) , которая выдерживает необходимые нагрузки и имеет минимальный вес. Такой отсек хорошо заметен на внешнем виде ракеты.
#3
Топливные баки. Топливные баки знакомы людям, которые интересуется тем, как строят ракеты. Это самые большие элементы конструкции, поэтому о них стоит поговорить отдельно. Каждая ступень содержит герметичный бак горючего и герметичный бак окислителя. Из них топливо, которое находится под давлением, попадает в двигательную установку, где смешивается и возгорается. Они имеют самые различные геометрические формы, которые создаются исходя из веса и компактного расположения элемента: цилиндр, сфера, тор (бублик) . Стоит отметить, что главным законом инженера есть: чем меньше вес конструкции, тем лучше. Об этом осведомлены все, кто знает, как устроена ракета. Минимального веса добиваются, а не просто к нему стремятся. Ведь чем он меньше, тем легче ракете преодолеть силу притяжения Земличто внутри и как она работает после отделения от ракеты
В статье о межконтинентальных баллистических ракетах было рассказано о том, как ступень разведения межконтинентальной баллистической ракеты производит нацеливание боеголовок. Однако после расставания с «автобусом» им предстоит еще долгий путь через космос и атмосферу. В продолжение темы мы поговорим об этом пути и о том, как боеголовки достигают цели.
Боеголовка и ее начинка
Внутри конуса, закрепленные на своих «сиденьях», находятся два основных «пассажира», ради которых все и затеяно: термоядерный заряд и блок управления зарядом, или блок автоматики. Они поразительно компактны. Блок автоматики — размером с пятилитровую банку маринованных огурцов, а заряд — с обычное огородное ведро. Тяжелый и увесистый, союз банки и ведра взорвется килотонн на триста пятьдесят — четыреста. Два пассажира соединены между собой связью, как сиамские близнецы, и через эту связь постоянно чем-то обмениваются. Диалог их ведется все время, даже когда ракета стоит на боевом дежурстве, даже когда этих близнецов только везут с предприятия-производителя.
Есть и третий пассажир — блок измерения движения боеголовки или вообще управления ее полетом. В последнем случае в боеголовку встроены рабочие органы управления, позволяющие изменять траекторию. Например, исполнительные пневмосистемы или пороховые системы. А еще бортовая электросеть с источниками питания, линии связи со ступенью, в виде защищенных проводов и разъемов, защита от электромагнитного импульса и система термостатирования — поддержания нужной температуры заряда.
После покидания автобуса боеголовки продолжают набирать высоту и одновременно мчаться в сторону целей. Они поднимаются до высших точек своих траекторий, а потом, не замедляя горизонтального полета, начинают все быстрее скатываться вниз. На высоте ровно ста километров над уровнем моря каждая боеголовка пересекает формально назначенную человеком границу космического пространства. Впереди атмосфера!
Электрический ветер
Внизу перед боеголовкой раскинулся огромный, контрастно блестящий с грозных больших высот, затянутый голубой кислородной дымкой, подернутый аэрозольными взвесями, необозримый и безбрежный пятый океан. Медленно и еле заметно поворачиваясь от остаточных воздействий разделения, боеголовка по пологой траектории продолжает спуск. Но вот навстречу ей тихонько потянул очень необычный ветерок. Чуть тронул ее — и стал заметен, обтянул корпус тонкой, уходящей назад волной бледного бело-голубого свечения. Волна эта умопомрачительно высокотемпературная, но она пока не жжет боеголовку, так как слишком уж бесплотна. Ветерок, обдувающий боеголовку, — электропроводящий. Скорость конуса настолько высока, что он в буквальном смысле дробит своим ударом молекулы воздуха на электрически заряженные осколки, происходит ударная ионизация воздуха. Этот плазменный ветерок называется гиперзвуковым потоком больших чисел Маха, и его скорость в двадцать раз превосходит скорость звука.
Из-за большой разреженности ветерок в первые секунды почти незаметен. Нарастая и уплотняясь с углублением в атмосферу, он сперва больше греет, чем давит на боеголовку. Но постепенно начинает с силой обжимать ее конус. Поток разворачивает боеголовку носиком вперед. Разворачивает не сразу — конус слегка раскачивается туда-сюда, постепенно замедляя свои колебания, и наконец стабилизируется.
Жара на гиперзвуке
Уплотняясь по мере снижения, поток все сильнее давит на боеголовку, замедляя ее полет. С замедлением плавно снижается температура. От огромных значений начала входа, бело-голубого свечения десятка тысяч кельвинов, до желто-белого сияния пяти-шести тысяч градусов. Это температура поверхностных слоев Солнца. Сияние становится ослепительным, потому что плотность воздуха быстро растет, а с ней и тепловой поток в стенки боеголовки. Теплозащитное покрытие обугливается и начинает гореть.
Оно горит вовсе не от трения об воздух, как часто неверно говорят. Из-за огромной гиперзвуковой скорости движения (сейчас в пятнадцать раз быстрее звука) от вершины корпуса расходится в воздухе другой конус — ударно-волновой, как бы заключая в себе боеголовку. Набегающий воздух, попадая внутрь ударно-волнового конуса, мгновенно уплотняется во много раз и плотно прижимается к поверхности боеголовки. От скачкообразного, мгновенного и многократного сжатия его температура сразу подскакивает до нескольких тысяч градусов. Причина этого — сумасшедшая быстрота происходящего, запредельная динамичность процесса. Газодинамическое сжатие потока, а не трение — вот что сейчас прогревает боеголовке бока.
Бокам становится совсем несладко. Их сейчас тоже жарит нестерпимым сиянием из головной ударной волны. И обжигает раскаленный сжатый воздух, превратившийся в плазму от дробления его молекул. Впрочем, при столь высокой температуре воздух ионизируется и просто от нагрева — его молекулы распадаются на части от жары. Получается смесь ударно-ионизационной и температурной плазмы. Своим воздействием трения эта плазма шлифует горящую поверхность теплозащиты, словно песком или наждачной бумагой. Происходит газодинамическая эрозия, расходующая теплозащитное покрытие.
В это время боеголовка прошла верхнюю границу стратосферы — стратопаузу — и входит в стратосферу на высоте 55 км. Движется она сейчас с гиперзвуковой скоростью в десять-двенадцать раз быстрее звука.
Нечеловеческие перегрузки
Сильное обгорание изменяет геометрию носа. Поток, словно резцом скульптора, выжигает в носовом покрытии заостренный центральный выступ. Появляются и другие особенности поверхности из-за неравномерностей выгорания. Изменения формы приводят к изменениям обтекания. Это меняет распределение давлений сжатого воздуха на поверхности боеголовки и поля температур. Возникают вариации силового воздействия воздуха по сравнению с расчетным обтеканием, что порождает отклонение точки падения — формируется промах. Пусть и небольшой — допустим, двести метров, но по ракетной шахте врага небесный снаряд попадет с отклонением. Или не попадет вообще.
Кроме того, картина ударно-волновых поверхностей, головной волны, давлений и температур непрерывно меняется. Плавно снижается скорость, зато быстро растет плотность воздуха: конус проваливается все ниже в стратосферу. Из-за неравномерностей давлений и температур на поверхности боеголовки, из-за быстроты их изменений могут возникать тепловые удары. От теплозащитного покрытия они умеют откалывать кусочки и куски, что вносит новые изменения в картину обтекания. И увеличивает отклонение точки падения.
Одновременно боеголовка может входить в самопроизвольные частые раскачивания с изменением направления этих раскачиваний с «вверх-вниз» на «вправо-влево» и обратно. Эти автоколебания создают местные ускорения в разных частях боеголовки. Ускорения меняются по направлению и величине, усложняя картину воздействия, испытываемого боеголовкой. Она получает больше нагрузок, несимметричности ударных волн вокруг себя, неравномерности температурных полей и прочих маленьких прелестей, вмиг вырастающих в большие проблемы.
Но и этим набегающий поток себя не исчерпывает. Из-за столь мощного давления встречного сжатого воздуха боеголовка испытывает огромное тормозящее действие. Возникает большое отрицательное ускорение. Боеголовка со всеми внутренностями находится в быстро растущей перегрузке, а экранироваться от перегрузки невозможно.
Космонавты не испытывают таких перегрузок при снижении. Пилотируемый аппарат менее обтекаем и заполнен внутри не столь плотно, как боеголовка. Космонавты и не спешат спуститься побыстрее. Боеголовка же — это оружие. Она должна достичь цели как можно скорее, пока не сбили. Да и перехват ее тем труднее, чем быстрее она летит. Конус — фигура наилучшего сверхзвукового обтекания. Сохранив высокую скорость до нижних слоев атмосферы, боеголовка встречает там очень большое торможение. Вот зачем нужны прочные переборки и силовой каркас. И удобные «сиденья» для двух седоков — иначе сорвет с мест перегрузкой.
Диалог сиамских близнецов
Кстати, а что там с этими седоками? Пришло время вспомнить главных пассажиров, ибо они сидят сейчас отнюдь не пассивно, а проходят свой собственный сложный путь, и диалог их становится наиболее содержательным в эти самые мгновения.
Заряд при перевозке разобран на части. При установке в боеголовку его собирают, а устанавливая боеголовку в ракету, оснащают до полной боеготовой комплектации (вставляют импульсный нейтронный инициатор, снаряжают детонаторами и т. д.). Заряд готов к полету до цели на борту боеголовки, но пока еще не готов взорваться. Логика тут понятная: постоянная готовность заряда к взрыву не нужна и теоретически опасна.
В состояние готовности к взрыву (вблизи цели) его предстоит перевести сложными последовательными алгоритмами, базирующимися на двух принципах: надежность движения к взрыву и контроль над процессом. Система подрыва строго своевременно переводит заряд во все более высокие степени готовности. И когда в полностью готовый заряд придет из блока управления боевая команда на подрыв, взрыв произойдет немедленно, мгновенно. Боеголовка, летящая со скоростью снайперской пули, пройдет лишь пару сотых долей миллиметра, не успев сместиться в пространстве даже на толщину человеческого волоса, когда в ее заряде начнется, разовьется, полностью пройдет и уже завершится термоядерная реакция, выделив всю штатную мощность.
Финальная вспышка
Сильно изменившись и снаружи, и внутри, боеголовка прошла в тропосферу — последний десяток километров высоты. Она сильно затормозилась. Гиперзвуковой полет выродился до сверхзвука в три-четыре единицы Маха. Светит боеголовка уже тускло, угасает и подходит к точке цели.
Взрыв на поверхности Земли планируется редко — только для углубленных в землю объектов вроде ракетных шахт. Большинство целей лежит на поверхности. И для их наибольшего поражения подрыв производят на некоторой высоте, зависящей от мощности заряда. Для тактических двадцати килотонн это 400 — 600 м. Для стратегической мегатонны оптимальная высота взрыва — 1200 м. Почему? От взрыва по местности проходят две волны. Ближе к эпицентру взрывная волна обрушится раньше. Упадет и отразится, отскочив в стороны, где и сольется с только что дошедшей сюда сверху, из точки взрыва, свежей волной. Две волны — падающая из центра взрыва и отраженная от поверхности — складываются, образуя в приземном слое наиболее мощную ударную волну, главный фактор поражения.
При испытательных же пусках боеголовка обычно беспрепятственно достигает земли. На ее борту находится полцентнера взрывчатки, подрываемой при падении. Зачем? Во-первых, боеголовка — секретный объект и должна надежно уничтожаться после использования. Во-вторых, это необходимо для измерительных систем полигона — для оперативного обнаружения точки падения и измерения отклонений.
Многометровая дымящаяся воронка завершает картину. Но перед этим, за пару километров до удара, с испытательной боеголовки отстреливается наружу бронекассета запоминающего устройства с записью всего, что регистрировалось на борту во время полета. Эта бронефлешка подстрахует от потери бортовой информации. Ее найдут позже, когда прилетит вертолет со спецгруппой поиска. И зафиксируют результаты фантастического полета.
Первая межконтинентальная баллистическая ракета с ядерной БЧ
Первой в мире МБР с ядерной боеголовкой стала советская Р-7. Она несла один трехмегатонный боевой блок и могла поражать объекты на дальности до 11 000 км (модификация 7-А). Детище С.П. Королёва хоть и было принято на вооружение, но в качестве военной ракеты оказалось малоэффективным из-за невозможности находиться длительное время на боевом дежурстве без дополнительной заправки окислителем (жидким кислородом). Зато Р-7 (и ее многочисленные модификации) сыграла выдающуюся роль в деле освоения космоса.
Первая головная часть МБР с разделяемыми боеголовками
Первой в мире МБР с разделяющейся головной частью стала американская ракета LGM-30 Minuteman III, развертывание которой началось в 1970 году. По сравнению с предыдущей модификацией боевой блок W-56 был заменен тремя легкими боевыми блоками W-62, установленными на ступень разведения. Таким образом, ракета могла поразить три отдельные цели или сосредоточить все три боеголовки для удара по одной. В настоящее время на всех ракетах Minuteman III в рамках инициативы по разоружению оставлено лишь по одному боевому блоку.
Боеголовка с переменной мощностью
С начала 1960-х годов разрабатываются технологии создания термоядерных боеголовок с переменной мощностью. К таковым относится, например, боеголовка W80, которая устанавливалась, в частности, на ракету Tomahawk. Эти технологии создавались для термоядерных зарядов, построенных по схеме Теллера-Улама, где реакция деления ядер изотопов урана или плутония запускает реакцию слияния (то есть термоядерный взрыв). Изменение мощности происходило путем внесения поправок во взаимодействие двух этапов. Управлять мощностью боеголовки имеет смысл в зависимости от типа цели и расстояния стрельбы.
Понравился наш сайт? Присоединяйтесь или подпишитесь (на почту будут приходить уведомления о новых темах) на наш канал в МирТесен!
cosmos.mirtesen.ru
Фотографии, как выглядит Парк ракет внутри и снаружи
На днях в Днепропетровске открылся «Парк ракет». Он работает так: каждые полчаса промоутер вместе с группой проводит презентацию, после чего все заходят внутрь и смотрят ролик посвященный космонавтике. Всё это проходит до 4 ноября включительно. Потом музей временно закрывается и через некоторое время откроется вновь с новыми экспонатами и новой программой.
На гостинице «Парус» появилось новое огромное граффити >>>
По материалам Blogr, фотографии: Артур Герхарт
dp.vgorode.ua
Космический корабль внутри
На заре космической эры, корабли для полетов в космос были небольшие. Космический корабль внутри едва вмещал космонавта и немного оборудования. Космонавт помещался в шаровидном отсеке, который был установлен на многоступенчатую ракету. Во время полета, каждая ступень вырабатывала свое топливо и отделялась от ракеты. При выходе на орбиту у ракеты оставался лишь корабль с космонавтом и не большими ракетными двигателями для маневров и возврата на Землю.
Довольно долгое время в США использовали многоразовые корабли «Шатл». Это уже совсем иная конструкция космических кораблей. В СССР тоже был построен многоразовый корабль «Буран», но он совершил лишь один полет, и тот беспилотный.
Индевор
Сейчас отжили свой век «Шатлы» и в космос космонавты летают на Российских космических кораблях «Союз». А на орбиту их выводит мощная ракета-носитель «Энергия».
На фотографиях можно увидеть и космический туалет, Международную космическую станцию МКС, Индевор — вид космического корабля внутри, МКС — внутри.
Индевор вид внутри
Вот так выглядит космический корабль внутри, а точнее будет космическая станция.
Космический туалет
kocmos.ru
виды жидкого топлива, геометрические размеры, транспортировка / Habr
В третьей части «Незаметных сложностей ракетной техники» я бы хотел рассказать о ещё не охваченных в первой и второй частях проблемах, которые требуют решения. Эта статья посвящена развитию темы различных ограничений, которые приводят к инженерно неоптимальным решениям.
Виды жидкого топлива
После начальных экспериментов, когда ракеты летали на этиловом спирте, азотной кислоте, скипидаре и прочих веселых веществах, самыми распространенными стали три пары ракетного топлива: кислород/керосин, кислород/водород, несимметричный диметилгидразин/азотный тетраксид. Естественно, у каждого вида топлива есть свои плюсы и минусы, которые мы сейчас и рассмотрим. Однако, сначала мне хочется дать определение удельного импульса, которое так и не прозвучало всё это время:
Удельный импульс — это мера эффективности ракетного топлива. Согласно одному из определений, это количество секунд, в течение которых двигатель может развивать тягу 1 Ньютон, истратив 1 кг топлива. Удельный импульс измеряется в секундах или в метрах в секунду. УИ 1 с = 9,8066 м/с
Кислород/керосин. УИ 358 c в пустоте, усредненная плотность (плотность смеси в соотношении для работы двигателя) 1,036 г/см^3. Самое популярное топливо, самое простое в работе и самое освоенное. Главных недостатков два — не самый высокий УИ, и то, что кислород хранится в баках в жидком виде. На ракеты-носители иногда даже не ставят теплоизоляцию, и при старте с неё красиво падает намёрзший из воздуха лёд. Но для разгонных блоков теплоизоляция нужна и требует дополнительной массы. Также жидкий кислород нельзя хранить месяцами для коррекций орбиты. Есть любопытный физический хак — переохлажденный кислород, т.е. кислород при температуре ниже температуры кипения. Он чуть плотнее, поэтому в такой же бак его поместится больше, и он не так активно закипает при заправке. На этой паре летает очень много современных ракет-носителей — «Союз», «Зенит», «Атлас», «Фалькон».
Кислород/водород. УИ 455 с в пустоте, усредненная плотность 0.3155 г/см^3. Наибольший УИ, но есть серьезные недостатки. Жидкий водород доставляет гораздо больше проблем, чем кислород. Во-первых, из-за низкой плотности пары кислород/водород бак будет в 2-3 раза выше баков других топливных пар при том же диаметре. Во-вторых, бак надо делать с теплоизоляцией, потому что иначе жидкий водород будет активно испаряться. Даже с теплоизоляцией надо дренировать бак и подпитывать его жидким водородом практически до момента старта. Дренаж испарившегося водорода нужно отводить, потому что его смесь с воздухом взрывоопасна. Разгонный блок с этими компонентами должен отработать в течение нескольких минут, долгоживущие модификации блоков, которые жили часами, были изготовлены в единичных экземплярах и оказались сильно дороже. На этой паре летали шаттлы и «Энергия», летают «Дельта» американцев, «Ариан-5» европейцев и «H-II» японцев.
НДМГ/АТ. УИ 344 с в пустоте, усредненная плотность 1,185 г/см^3. УИ чуть ниже кислорода/керосина, очень высокая плотность, кипит при плюсовой температуре, самовоспламеняется при смешении компонентов, вроде бы мечта, а не топливо. Одна беда, НДМГ — жуткий яд. Высший класс токсичности по NFPA 704, мутаген, тератоген, канцероген. АТ тоже не подарок, но на класс опасности ниже, ядовит примерно как хлор, и растения после него хорошо растут — азотистое удобрение. К небольшим недостаткам этой топливной пары можно отнести коррозию материалов (но с этим можно бороться) и более высокую стоимость, чем у пары кислород/керосин. На ней летают «Протон», «Великий поход» китайцев и GSLV индусов. Летали «Титаны» американцев и «Ариан» европейцев, но в ракетах-носителях он постепенно будет сходить на нет. Опасность разлива сотен тонн компонентов при аварии и необходимость дезактивации участка падения отработанной ступени делает бесперспективным использование этой пары в ракетах-носителях. Но она используется в разгонных блоках и двигательных установках спутников, потому что может долго и без проблем храниться в полёте.
Геометрические размеры ступени, транспортировка
С точки зрения геометрии, максимальный объем при фиксированной площади достигается для шара. И аэродинамическое сопротивление и полная поверхность цилиндра пропорциональны квадрату радиуса, поэтому ракеты должны были бы быть достаточно невысокими и широкими. Однако, в реальности, ракеты очень тонкие и высокие. Дело в том, что увеличение диаметра увеличивает сложность изготовления и транспортировки ступени. У меня была гипотеза, что мера сложности работы со ступенью обратно пропорциональна квадрату радиуса. Я собрал данные о пусках ракет за последние двадцать лет (много пусков даст статистическую базу, а не очень большой временной диапазон не приведет к ошибке из-за изменения технологий) и построил график количества пусков в зависимости от наибольшего диаметра ступени (самого широкого бака). Что интересно, гипотеза подтвердилась:
Ещё можно вспомнить байку о том, как ширина двух древнеримских лошадей привела к ограничению полезной нагрузки «Спейс Шаттла». Это, конечно, байка, и даже отдел стандартизации NASA потрудился её опровергнуть, но общий принцип верен — задача транспортировки ставит большие проблемы для разработки ракет-носителей.
Расчеты
Я сделал документ в Google Docs. Можно посмотреть размеры ступени в зависимости от желаемой характеристической скорости, топлива и диаметра. Надеюсь, Google позволит вам скопировать данные в свой документ, чтобы поиграться с параметрами. Установленные параметры настроены на что-то похожее на универсальный блок «Дельты-IV». Обратите внимание на гораздо более высокую, чем реальная, характеристическую скорость. В реальности ещё есть потери на сопротивление воздуха, гравитацию, двигатель выдаёт меньший импульс у Земли из-за атмосферного давления и т.п.
Во втором листе документа есть данные по пускам ракет за последние двадцать лет и диаметру наибольшего бака, а также график по собранным данным.
Открыть документ
Кто как может
США повезло не только с широтой. Их космодром находится на берегу моря, и не составляет проблем привезти ступени на корабле или барже:
Слева баржа для транспортировки внешнего топливного бака «Спейс-Шаттла», по центру перевозка от причала в здание вертикальной сборки, справа транспорт «Дельта Маринер» перевозит ступени РН «Дельта-IV» и «Атлас- V»
Поэтому американцы могли возить ступени «Сатурна-V» диаметром 10,1 м и внешние топливные баки шаттлов восьмиметрового диаметра.
У европейцев космодром Куру тоже находится у самого берега, что опять позволяет использовать большие ступени — 5,4 м у «Ариан-5»:
Ну а у нас ситуация гораздо сложнее. Первую ступень Н-1 диаметром 17 метров сваривали уже на Байконуре, центральный блок «Энергии» возили на самолёте. Диаметр «Протона» фактически 4,1 м, боковые баки первой ступени присоединяются уже при сборке ракеты на Байконуре. И, по слухам в Интернете, при транспортировке блоков ракеты приходится перекрывать встречное движение по железной дороге. Вот он — тайный враг отечественной космонавтики — железнодорожный габарит:
Уже на вагонах «Ангары» с диаметром 2,9 м ясно виден индекс негабаритности — по ширине он почти предельный (5 из 6):
Железнодорожный транспорт для нас пока остается единственно доступным. Возить на самолёте дорого, да и ограничение размера присутствует. Новые специальные самолёты будут стоить сильно дороже. Собирать на месте очень дорого — надо новый завод строить. По рекам транспортировать тоже не получается — будут нужны специальные баржи для рек и корабли для движения по Северному морскому пути. Учитывая, что сейчас в «Роскосмосе» есть некоторое шевеление по поводу разработки сверхтяжелой ракеты, становится очень любопытно, какие геометрические параметры там выберут, и как её будут транспортировать?
Компоновка
Времена, когда денег в космос вливали много, и можно было строить такой инженерно-красивый «Сатурн-V», увы прошли. Теперь во всем мире мода на «летающие заборы» из универсальных модулей, которые должны быть удобными и дешевыми:
Слева направо: «Дельта-IV», «Атлас-V», «Фалкон-9», «Ангара»
При массовом производстве такие УРМ должны получаться дешевыми. Есть любопытный ролик, пусть и несколько из будущего, потому что в нём используется сварка трением, которую пока не освоили:
Кстати, сравните с предыдущим видео, построенный цех вполне узнаваем. Ещё на цех и оборудование можно посмотреть тут и тут.
Стартовые сооружения
Меня очень занимал вопрос, чем была вызвана такая странная компоновка у «Ангары» версии 1995 года?
Не нужно думать, что эту схему делали дилетанты или «враги народа». Представьте, что на дворе первая половина девяностых. На Байконуре раздрай, Казахстан, ставший независимым, может устроить проблемы с использованием космодрома. «Протон» надо чем-то заменять. Но денег у государства ни на что нет, и масштабные проекты однозначно не получатся. А на космодроме «Плесецк» есть почти достроенный старт для РН «Зенит». «Зенит» выводит на орбиту почти четырнадцать тонн. Если сделать новую ракету в размерности «Зенита», привесив дополнительные баки, то полезную нагрузку можно увеличить. Так и появилась эта странная конструкция.
Этот же фактор уже готового стартового сооружения пророчит хорошее будущее «Союзу-2.1в». Старты для обычных «Союзов» есть на Байконуре, Плесецке, Куру (но туда вряд ли пустят — конкуренция «Веге»), строится старт на «Восточном».
Кстати, идею параллельного расположения баков реализовали ещё в «Протоне». На первой ступени стоит один бак окислителя диаметром 4,1 м. и шесть баков горючего, на которых стоят двигатели. Получилось даже изящно — на дно бака окислителя выведены коммуникации, что сделало ненужной отдельную кабель-мачту. А первая ступень стала заметно короче, что полезно для уменьшения изгибающих нагрузок и упрощает работу с ракетой в целом. Что любопытно, эту идею и сейчас не хотят забывать — вот, например, картинка неких эскизов из доклада от ноября 2013 года:
вторая слева ракета — параллельно расположенные баки на первой ступени, третья слева — боковые и центральный баки для разных компонентов
Деньги
Это ограничение фактически разлито по всем остальным, потому что любое инженерное решение имеет свою цену. Для наглядности — некрасивые ракеты на КДПВ в большинстве своем стали такими некрасивыми из-за того, что использовались уже готовые блоки разных диаметров, и увеличение диаметра спутников привело к необходимости создания надкалиберных обтекателей.
Первая слева ракета — «Тор — Эйбл». На уже существующую баллистическую ракету «Тор» поставили ступень «Эйбл», которую сделали для ракеты «Авангард».
Вторая — «Таурус». Под ступени ракеты «Пегас» воздушного старта поставили ступень с МБР «MX»
Третья — «Ариан-4». К сожалению, прямых предков я не нашёл, откуда она такая некрасивая появилась — неясно.
Четвертая — «Ариан-6». Переход на новые твердотопливные блоки, а верхняя ступень остается с «Ариан-5», поэтому она большего диаметра.
Пятая — «Ангара» версии 1995 года. О ней я уже говорил.
P.S. Из четырех последних статей две были написаны фактически по вашим заявкам. У меня есть список интересных тем, по которым можно сделать статьи, и он ещё далеко не исчерпан, но мне хочется узнать — есть ли какие-то темы, на которые вы хотели бы прочитать научно-популярную статью о космонавтике? Предлагайте свои пожелания в комментариях, если они меня заинтересуют, то я их поставлю в свою очередь статей.
habr.com
Почему обтекатели для ракет такие дорогие? / Habr
Эта статья сделана по мотивам и просьбам следующего комментария:Охота за обтекателями
На данный момент цена обтекателей для ракет около 5-7 миллионов долларов. Многие задаются вопросом: А почему так дорого? Ведь это просто кусок металла для защиты. Это не совсем так, это не просто кусок металла, хотя и сделана эта конструкция для защиты полезной нагрузки.
Начнем с малого. Каждый килограмм обтекателей уменьшает вес полезной нагрузки. Поэтому используются легкие композиты с усилением конструкции легкими сплавами, обычно это сплавы алюминия. Конструкция напоминает собой соты (isogrid). Вес обтекателя Falcon 9 с диаметром 5.2 метра около 1.9 тонны.
К выбору материала также подходят с особой тщательностью, ведь обтекатель должен защищать от набегающего потока воздуха, от EMI излучения, от перепадов температуры, от прочих вибраций и механических воздействий на ПН. Например Falcon Heavy проходит звуковой барьер примерно на высоте 10 км, и потом разгоняется до 7-8 махов (2-3км/с). На данных высотах воздух все ещё достаточно плотный и происходит сильный разогрев обтекателя с быстрым охлаждением в верхних слоях атмосферы. Колебания температуры могут быть от 100С до -100С в коротком промежутке времени (около минуты). Поэтому материал должен быть устойчивым к быстрым перепадам температуры.
На примере головного обтекателя ракеты рассмотрим воздействие на него аэродинамического нагрева. На рисунке показано изменение конвективного теплового потока в носовой части обтекателя, возникающего при торможении газового потока вблизи обтекаемой поверхности.
Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на следующем рисунке
Как видно из рисунка, температура носовой части ГО превышает допустимую рабочую величину для алюминиевых сплавов. Поэтому на наружную поверхность носовой части ГО наносят ТЗП из асбопластика или стеклопластика на фенольном связующем:
Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке:
Из рисунка видно, что и в обшивке и в продольном силовом наборе (стрингерах) рабочая температура в течение полета находится в допустимых пределах. Однако для КА, находящегося внутри ГО, тепловой поток от конструкции обтекателя может быть недопустимым, в следствие чего необходима теплоизоляция нагретой конструкции от внутренней полости ГО.
Устройство такой теплоизоляции (ТИ) показано на рисунке:
Это нужно для поддержания температуры 10-30С для КА под обтекателем.
Так-же обтекатели должны иметь возможность вентиляции, чтобы в процессе выхода в космос уравнивать давление внутри отсека чтобы обтекатель не разрушило раньше времени изнутри.
Ещё одна сложность в том, что обтекатели должны открываться идеально чтобы не повредить ПН и ступени ракет под ними на скорости около 3-4 км/c То есть должен быть специальный механизм отделения обтекателей от ПН без повреждения полезной нагрузки и ступени под ней. Хорошее видео теста обтекателей Space X в вакуумной камере в Исследовательском институте Гленн, НАСА:
Для осуществления открытия обтекателя и для разделения ступеней в целом существует система разделения.
Система разделения (СР) предназначена для отделения и увода с траектории выведения отработавших ступеней, а также для отброса элементов конструкции, выполнивших свое функциональное назначение. Конструктивные элементы СР до срабатывания должны обеспечивать целостность конструкции РН и восприятие всех нагрузок. Срабатывание элементов СР осуществляется очень быстро, вследствие чего на борту оказываются источники быстро высвобождающейся энергии (взрывчатое вещество, аккумуляторы давления, пружины и т.д.). После срабатывания разрывных элементов происходит сложная динамика относительного
движения. В состав СР входят агрегаты, узлы и механизмы, обеспечивающие:
— надежное соединение разделяющихся частей и разрыв силовых связей,
— разведение разделяющихся частей.
К первой группе относятся пирозамки, пироболты пневмозамки, механические замки, оболочечные элементы с линейными детонирующими зарядами. Разведение обеспечивают толкатели (пневмо, пиро, пружинные), сопла для газов наддува, тормозные РДТТ, тяга двигателей.
Пироболт системы разделения:
Линейный детонирующий снаряд:
Расположение СР на обтекателе China Great Wall Industry Corporation:
Дополнительная сложность заключается в размере обтекателей. Он составляет примерно 15 метров на 5 метров. В него спокойно может поместиться городской автобус. Для изготовления обтекателей из металла используются специальные большие станки с ЧПУ или очень большие автоклавы в случае использования композитов. Данные процессы очень ресурсоёмкие и занимают достаточно много времени. Автоклав компании Boeing:
Ну и нужно не забывать что после сборки обтекатель должен пройти серьезную проверку так как от него зависит выживаемость ПН в процессе запуска. Стоит помнить, что как и в случае с дефектами с ракетой, дефект в обтекателе приведет к потере ПН и провалу миссии уже после старта ракеты, когда отменить запуск нельзя.
Человек на фоне обтекателя для сравнения размеров:
Схема обтекателя:
Иногда при запуске тонких инструментов от обтекателей требуется создание и поддержание атмосферы чистой комнаты внутри отсека. Это накладывает дополнительные сложности при проектировании обтекателей и способствует увеличению цены.
Update
Добалена дополнительная информация.
habr.com
Межконтинентальная баллистическая ракета: как это работает
Межконтинентальная баллистическая ракета — весьма впечатляющее творение человека. Огромные размеры, термоядерная мощь, столб пламени, рев двигателей и грозный рокот пуска… Однако все это существует лишь на земле и в первые минуты запуска. По их истечении ракета прекращает существовать. Дальше в полет и на выполнение боевой задачи уходит лишь то, что остается от ракеты после разгона — ее полезная нагрузка.
При больших дальностях пуска полезная нагрузка межконтинентальной баллистической ракеты уходит в космическую высоту на многие сотни километров. Поднимается в слой низкоорбитальных спутников, на 1000−1200 км над Землей, и ненадолго располагается среди них, лишь слегка отставая от их общего бега. А затем по эллиптической траектории начинает скатываться вниз…
Что это, собственно, за нагрузка?
Баллистическая ракета состоит из двух главных частей — разгоняющей части и другой, ради которой затеян разгон. Разгоняющая часть — это пара или тройка больших многотонных ступеней, под завязку набитых топливом и с двигателями снизу. Они придают необходимую скорость и направление движению другой главной части ракеты — головной. Разгонные ступени, сменяя друг друга в эстафете пуска, ускоряют эту головную часть в направлении района ее будущего падения.
Головная часть ракеты — это сложный груз из многих элементов. Он содержит боеголовку (одну или несколько), платформу, на которой эти боеголовки размещены вместе со всем остальным хозяйством (вроде средств обмана радаров и противоракет противника), и обтекатель. Еще в головной части есть топливо и сжатые газы. Вся головная часть к цели не полетит. Она, как ранее и сама баллистическая ракета, разделится на много элементов и просто перестанет существовать как одно целое. Обтекатель от нее отделится еще неподалеку от района пуска, при работе второй ступени, и где-то там по дороге и упадет. Платформа развалится при входе в воздух района падения. Сквозь атмосферу до цели дойдут элементы только одного типа. Боеголовки.
Вблизи боеголовка выглядит как вытянутый конус длиною метр или полтора, в основании толщиной с туловище человека. Нос конуса заостренный либо немного затупленный. Конус этот — специальный летательный аппарат, задача которого — доставка оружия к цели. Мы вернемся к боеголовкам позже и познакомимся с ними ближе.
Голова «Миротворца»
На снимках — ступени разведения американской тяжелой МБР LGM0118A Peacekeeper, также известной как MX. Ракета была оснащена десятью разделяющимися боеголовками по 300 кт. Ракета снята с вооружения в 2005 году.
Тянуть или толкать?
В ракете все боеголовки расположены на так называемой ступени разведения, или в «автобусе». Почему автобус? Потому что, освободившись сначала от обтекателя, а затем от последней разгонной ступени, ступень разведения развозит боеголовки, как пассажиров по заданным остановкам, по своим траекториям, по которым смертоносные конусы разойдутся к своим целям.
Еще «автобус» называют боевой ступенью, потому что ее работа определяет точность наведения боеголовки в точку цели, а значит, и боевую эффективность. Ступень разведения и ее работа — один из самых больших секретов в ракете. Но мы все же слегка, схематично, взглянем на эту таинственную ступень и на ее непростой танец в космосе.
Ступень разведения имеет разные формы. Чаще всего она похожа на круглый пенек или на широкий каравай хлеба, на котором сверху установлены боеголовки остриями вперед, каждая на своем пружинном толкателе. Боеголовки заранее расположены под точными углами отделения (на ракетной базе, вручную, с помощью теодолитов) и смотрят в разные стороны, как пучок морковок, как иголки у ежика. Ощетинившаяся боеголовками платформа занимает в полете заданное, гиростабилизированное в пространстве положение. И в нужные моменты с нее поодиночке выталкиваются боеголовки. Выталкиваются сразу после завершения разгона и отделения от последней разгонной ступени. Пока (мало ли что?) не сбили противоракетным оружием весь этот неразведенный улей или не отказало что-либо на борту ступени разведения.
Но так было раньше, на заре разделяющихся головных частей. Сейчас разведение представляет собой совсем другую картину. Если раньше боеголовки «торчали» вперед, то теперь впереди по ходу находится сама ступень, а боеголовки висят снизу, вершинами назад, перевернутые, как летучие мыши. Сам «автобус» в некоторых ракетах тоже лежит в перевернутом состоянии, в специальной выемке в верхней ступени ракеты. Теперь после отделения ступень разведения не толкает, а тащит боеголовки за собой. Причем тащит, упираясь крестообразно расставленными четырьмя «лапами», развернутыми впереди. На концах этих металлических лап находятся направленные назад тяговые сопла ступени разведения. После отделения от разгонной ступени «автобус» очень точно, прецизионно выставляет свое движение в начинающемся космосе с помощью собственной мощной системы наведения. Сам занимает точную тропу очередной боеголовки — ее индивидуальную тропу.
Затем размыкаются специальные безынерционные замки, державшие очередную отделяемую боеголовку. И даже не отделенная, а просто теперь уже ничем не связанная со ступенью боеголовка остается неподвижно висеть здесь же, в полной невесомости. Начались и потекли мгновенья ее собственного полета. Словно одна отдельная ягода рядом с гроздью винограда с другими виноградинами-боеголовками, еще не сорванными со ступени процессом разведения.
Огненная десятка
К-551 «Владимир Мономах» — российская атомная подводная лодка стратегического назначения (проект 955 «Борей»), вооруженная 16 твердотопливными МБР «Булава» с десятью разделяющимися боевыми блоками.
Деликатные движения
Теперь задача ступени — отползти от боеголовки как можно деликатнее, не нарушив ее точно выставленного (нацеленного) движения газовыми струями своих сопел. Если сверхзвуковая струя сопла попадет по отделенной боеголовке, то неминуемо внесет свою добавку в параметры ее движения. За последующее время полета (а это полчаса — минут пятьдесят, в зависимости от дальности пуска) боеголовка продрейфует от этого выхлопного «шлепка» струи на полкилометра-километр вбок от цели, а то и дальше. Продрейфует без преград: там же космос, шлепнули — поплыла, ничем не удерживаясь. Но разве километр вбок — это точность сегодня?
Чтобы избежать таких эффектов, как раз и нужны разнесенные в стороны четыре верхние «лапы» с двигателями. Ступень как бы подтягивается на них вперед, чтобы струи выхлопов шли по сторонам и не могли зацепить отделяемую брюшком ступени боеголовку. Вся тяга разделена между четырьмя соплами, что снижает мощность каждой отдельной струи. Есть и другие особенности. Например, если на бубликообразной ступени разведения (с пустотой посередине — этим отверстием она надета на разгонную ступень ракеты, как обручальное кольцо на палец) ракеты «Трайдент-II D5» система управления определяет, что отделенная боеголовка все же попадает под выхлоп одного из сопел, то система управления это сопло отключает. Делает «тишину» над боеголовкой.
Ступень нежно, как мать от колыбельки уснувшего дитяти, боясь нарушить его покой, на цыпочках отходит в пространстве на трех оставшихся соплах в режиме малой тяги, а боеголовка остается на прицельной траектории. Затем «бублик» ступени с крестовиной тяговых сопел проворачивается вокруг оси, чтобы боеголовка вышла из-под зоны факела выключенного сопла. Теперь ступень отходит от оставляемой боеголовки уже на всех четырех соплах, но пока тоже на малом газу. При достижении достаточного расстояния включается основная тяга, и ступень энергично перемещается в область прицельной траектории следующей боеголовки. Там расчетно тормозится и снова очень точно устанавливает параметры своего движения, после чего отделяет от себя очередную боеголовку. И так — пока не высадит каждую боеголовку на ее траекторию. Процесс этот быстр, гораздо быстрее, чем вы читаете о нем. За полторы-две минуты боевая ступень разводит десяток боеголовок.
Бездны математики
Сказанного выше вполне достаточно для понимания, как начинается собственный путь боеголовки. Но если приоткрыть дверь чуть шире и бросить взгляд чуть глубже, можно заметить, что сегодня разворот в пространстве ступени разведения, несущей боеголовки, — это область применения кватернионного исчисления, где бортовая система ориентации обрабатывает измеряемые параметры своего движения с непрерывным построением на борту кватерниона ориентации. Кватернион — это такое комплексное число (над полем комплексных чисел лежит плоское тело кватернионов, как сказали бы математики на своем точном языке определений). Но не с обычными двумя частями, действительной и мнимой, а с одной действительной и тремя мнимыми. Итого у кватерниона четыре части, о чем, собственно, и говорит латинский корень quatro.
Ступень разведения выполняет свою работу довольно низко, сразу после выключения разгонных ступеней. То есть на высоте 100−150 км. А там еще сказывается влияние гравитационных аномалий поверхности Земли, разнородностей в ровном поле тяготения, окружающем Землю. Откуда они? Из неровностей рельефа, горных систем, залегания пород разной плотности, океанических впадин. Гравитационные аномалии либо притягивают к себе ступень добавочным притяжением, либо, наоборот, слегка отпускают ее от Земли.
В таких неоднородностях, сложной ряби местного гравитационного поля, ступень разведения должна расставить боеголовки с прецизионной точностью. Для этого пришлось создать более детальную карту гравитационного поля Земли. «Излагать» особенности реального поля лучше в системах дифференциальных уравнений, описывающих точное баллистическое движение. Это большие, емкие (для включения подробностей) системы из нескольких тысяч дифференциальных уравнений, с несколькими десятками тысяч чисел-констант. А само гравитационное поле на низких высотах, в непосредственной околоземной области, рассматривают как совместное притяжение нескольких сотен точечных масс разного «веса», расположенных около центра Земли в определенном порядке. Так достигается более точное моделирование реального поля тяготения Земли на трассе полета ракеты. И более точная работа с ним системы управления полетом. А еще… но полно! — не будем заглядывать дальше и закроем дверь; нам вполне хватит и сказанного.
Полет без боеголовок
Ступень разведения, разогнанная ракетой в сторону того же географического района, куда должны упасть боеголовки, продолжает свой полет вместе с ними. Ведь отстать она не может, да и зачем? После разведения боеголовок ступень срочно занимается другими делами. Она отходит в сторону от боеголовок, заранее зная, что будет лететь немного не так, как боеголовки, и не желая их потревожить. Все свои дальнейшие действия ступень разведения тоже посвящает боеголовкам. Это материнское желание всячески оберегать полет своих «деток» продолжается всю ее оставшуюся недолгую жизнь.
Недолгую, но насыщенную.
Космос ненадолго
Полезная нагрузка межконтинентальной баллистической ракеты большую часть полета проводит в режиме космического объекта, поднимаясь на высоту, в три раза больше высоты МКС. Огромной длины траектория должна быть просчитана с особой точностью.
После отделенных боеголовок наступает черед других подопечных. В стороны от ступени начинают разлетаться самые забавные штуковины. Словно фокусник, выпускает она в пространство множество надувающихся воздушных шариков, какие-то металлические штучки, напоминающие раскрытые ножницы, и предметы всяких прочих форм. Прочные воздушные шарики ярко сверкают в космическом солнце ртутным блеском металлизированной поверхности. Они довольно большие, некоторые по форме напоминают боеголовки, летящие неподалеку. Их поверхность, покрытая алюминиевым напылением, отражает радиосигнал радара издали почти так же, как и корпус боеголовки. Наземные радары противника воспримут эти надувные боеголовки наравне с реальными. Разумеется, в первые же мгновения входа в атмосферу эти шарики отстанут и немедленно лопнут. Но до этого они будут отвлекать на себя и загружать вычислительные мощности наземных радаров — и дальнего обнаружения, и наведения противоракетных комплексов. На языке перехватчиков баллистических ракет это называется «осложнять текущую баллистическую обстановку». А всё небесное воинство, неумолимо движущееся к району падения, включая боевые блоки настоящие и ложные, надувные шарики, дипольные и уголковые отражатели, вся эта разношерстная стая называется «множественные баллистические цели в осложненной баллистической обстановке».
Металлические ножницы раскрываются и становятся электрическими дипольными отражателями — их множество, и они хорошо отражают радиосигнал ощупывающего их луча радара дальнего противоракетного обнаружения. Вместо десяти искомых жирных уток радар видит огромную размытую стаю маленьких воробьев, в которой трудно что-то разобрать. Устройства всяких форм и размеров отражают разные длины волн.
Кроме всей этой мишуры, ступень теоретически может сама испускать радиосигналы, которые мешают наводиться противоракетам противника. Или отвлекать их на себя. В конце концов, мало ли чем она может быть занята — ведь летит целая ступень, большая и сложная, почему бы не нагрузить ее хорошей сольной программой?
Дом для «Булавы»
Подводные лодки проекта 955 «Борей» — серия российских атомных подводных лодок класса «ракетный подводный крейсер стратегического назначения» четвертого поколения. Первоначально проект создавался под ракету «Барк», ей на смену пришла «Булава».
Последний отрезок
Однако с точки зрения аэродинамики ступень не боеголовка. Если та — маленькая и тяжеленькая узкая морковка, то ступень — пустое обширное ведро, с гулкими опустевшими топливными баками, большим необтекаемым корпусом и отсутствием ориентации в начинающем набегать потоке. Своим широким телом с приличной парусностью ступень гораздо раньше отзывается на первые дуновения встречного потока. Боеголовки к тому же разворачиваются вдоль потока, с наименьшим аэродинамическим сопротивлением пробивая атмосферу. Ступень же наваливается на воздух своими обширными боками и днищами как придется. Бороться с тормозящей силой потока она не может. Ее баллистический коэффициент — «сплав» массивности и компактности — гораздо хуже боеголовочного. Сразу и сильно начинает она замедляться и отставать от боеголовок. Но силы потока нарастают неумолимо, одновременно и температура прогревает тонкий незащищенный металл, лишая его прочности. Остатки топлива весело кипят в раскаляющихся баках. Наконец, происходит потеря устойчивости конструкции корпуса под обжавшей ее аэродинамической нагрузкой. Перегрузка помогает крушить переборки внутри. Крак! Хрясь! Смявшееся тело тут же охватывают гиперзвуковые ударные волны, разрывая ступень на части и разбрасывая их. Пролетев немного в уплотняющемся воздухе, куски снова разламываются на более мелкие фрагменты. Остатки топлива реагируют мгновенно. Разлетающиеся осколки конструктивных элементов из магниевых сплавов зажигаются раскаленным воздухом и мгновенно сгорают с ослепительной вспышкой, похожей на вспышку фотоаппарата — недаром в первых фотовспышках поджигали магний!
Подводный меч Америки
Американские подводные лодки класса «Огайо» — единственный тип ракетоносцев, находящийся на вооружении США. Несет на борту 24 баллистических ракеты с РГЧ Trident-II (D5). Количество боевых блоков (в зависимости от мощности) — 8 или 16.
Все сейчас горит огнем, все обтянуто раскаленной плазмой и хорошо светит вокруг оранжевым цветом углей из костра. Более плотные части уходят тормозиться вперед, более легкие и парусные сдуваются в хвост, растягивающийся по небу. Все горящие компоненты дают плотные дымовые шлейфы, хотя на таких скоростях этих самых плотных шлейфов быть не может из-за чудовищного разбавления потоком. Но издали их видно прекрасно. Выброшенные частицы дыма растягиваются по следу полета этого каравана кусков и кусочков, наполняя атмосферу широким белым следом. Ударная ионизация порождает ночное зеленоватое свечение этого шлейфа. Из-за неправильной формы фрагментов их торможение стремительно: все, что не сгорело, быстро теряет скорость, а с ней и горячительное действие воздуха. Сверхзвук — сильнейший тормоз! Став в небе, словно разваливающийся на путях поезд, и тут же охладившись высотным морозным дозвуком, полоса фрагментов становится визуально неразличимой, теряет свою форму и строй и переходит в долгое, минут на двадцать, тихое хаотичное рассеивание в воздухе. Если оказаться в нужном месте, можно услышать, как тихо звякнет об ствол березы маленький обгорелый кусочек дюраля. Вот ты и прибыла. Прощай, ступень разведения!
Морской трезубец
На фото — пуск межконтинентальной ракеты Trident II (США) с подводной лодки. В настоящий момент Trident («Трезубец») — единственное семейство МБР, ракеты которого устанавливаются на американских подводных лодках. Максимальный забрасываемый вес — 2800 кг.
toomth.livejournal.com