Оттолкнуться от пустоты: как работают химические реактивные двигатели
Рассказ о реактивных двигателях стоит начать с третьего закона Ньютона: сила действия равна силе противодействия. Проще говоря, каждое движение — это отталкивание чего-то от чего-то. Но в космосе это невозможно, поскольку там отсутствуют даже молекулы газов, от которых можно оттолкнуться, как это делают самолеты при полете в атмосфере.
Впрочем, это не значит, что мы не знаем, как двигаться в пустоте. То, от чего можно отталкиваться, нужно просто принести с собой . Так работает реактивный двигатель — мы с силой выбрасываем определенную массу в направлении, противоположном тому, в котором нужно ускориться, и получаем импульс. В принципе работа реактивного двигателя одинаково удачно описывается и третьим законом Ньютона, и законом сохранения импульса.
Третий закон Ньютона:
Закон сохранения импульса:
При старте с Земли удобнее использовать первую, поскольку там основная задача — преодолеть силу тяжести и сопротивления воздуха, следовательно, лучше оперировать силами. В космосе, где самое главное — корректировать вектор скорости, следует говорить именно о массах и скоростях. В этом плане важно определить несколько терминов, которыми мы будем пользоваться в дальнейшем.
Основные понятия теории ракетных двигателей
Реактивная масса — это то самое вещество, которое выбрасывает космический корабль с определенной скоростью, чтобы получить ускорение. Его неверно будет называть горючим по ряду причин, хотя его масса и масса топлива на космическом корабле с химическим реактивным двигателем совпадают.
Δv — это суммарное изменение вектора скорости, которое может осуществить корабль, истратив все наличное на борту топливо. В англоязычных источниках обозначение Δv чаще всего употребляют без дополнительных объяснений. В источниках, относящихся к территории бывшего СССР, можно встретить более громоздкие названия: «характеристическая скорость орбитального маневра» и «суммарная характеристическая скорость». Все это практически одно и то же.
Мощность двигателя — это, собственно, сила, с которой он способен выталкивать из себя рабочее тело. Соответственно это та сила, с которой он толкает космический корабль в противоположную сторону.
Самая главная характеристика двигателя — его удельный импульс, то есть импульс, который получает космический корабль при истечении одного килограмма рабочего тела из двигателя с максимально возможной скоростью. Чаще всего по своей величине он совпадает со скоростью истечения реактивной массы из двигателя.
Из всего вышеупомянутого проистекает основная идея эффективной работы реактивного двигателя: взять на борт как можно больше реактивной массы и выбрасывать ее с максимально возможной скоростью, обеспечив максимально возможное Δv. Ну и, конечно, важна высокая мощность, чтобы преодолеть земное притяжение. Обычно эти две задачи выполняют разные двигатели: один используется для старта с Земли, а другой — для маневров в космосе.
Ускорять рабочее тело можно несколькими способами. Наиболее привычны для нас химические реактивные двигатели, где в качестве рабочего тела используются газы, которые образуются вследствие химической реакции. За счет выделяющегося в результате той же реакции тепла давление ее продуктов возрастает и при направленном расширении они разгоняются до определенной скорости.
Существуют еще более простые ракетные двигатели, в которых тягу создает давление водяного пара, образующегося в результате кипения воды (или, например, углекислого газа, возникающего при сублимации «сухого льда»). Однако мощность и удельный импульс у таких двигателей настолько малы, что на практике вместо использования их для запусков ракет любители строят по тому же принципу пушки, чтобы стрелять из них арбузами. Но теоретически в космосе вполне можно летать и на «чайнике» — правда, плоховато.
Твердотопливные ракетные двигатели
Современные химические реактивные двигатели бывают твердотопливными и жидкостными. Первые обычно более простые и мощные, но время их работы крайне ограничено. Это обусловлено особенностью их конструкции. По сути, топливом в твердотопливных ракетах является взрывчатка, которая постепенно сгорает и создает тягу. Примером может служить ускоритель космического корабля Space Shuttle. В нем в качестве топлива используется смесь из перхлората аммония, порошкообразного алюминия, специального полимера и отвердителя для него. Фактически это что-то похожее на пластид или динамит.
Преимущества твердотопливного реактивного двигателя хорошо прослеживаются на примере того же ускорителя системы Space Shuttle. Это самый мощный двигатель, который вообще когда-либо создавало человечество — целых 14,5 млн ньютонов тяги. К тому же конструктивно он очень прост, хоть и имеет некоторые недостатки. Во-первых, топливо-взрывчатка в нем горит очень быстро и, как следствие, за короткое время полностью сгорает. Во-вторых, после начала горения топлива его уже невозможно остановить. Поэтому такие двигатели пользуются большой популярностью у военных, а вот в космической отрасли они себя зарекомендовали преимущественно как первые ступени многоступенчатых систем.
Одно- и трехкомпонентные жидкостные ракетные двигатели
Конструкция химического жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) зависит от его типа, но в целом она состоит из емкости, в которой происходит химическая реакция, достаточно хитро устроенного отверстия (сопла), разнообразных конструкций, расположенных сзади и с обеих сторон от него и позволяющих управлять потоком реактивной массы, емкостей с химическими компонентами, которые затем превратятся в реактивную массу, и трубопроводов, соединяющих все остальные элементы. Плюс, конечно, системы управления потоками внутри двигателя.
Если же рассматривать жидкостные химические двигатели детальнее, то они бывают одно-, двух- и трехкомпонентными. В первом типе используется только горючее без окислителя. Соответственно, «топливо» в них не сгорает, а разлагается на газообразные продукты, которые и вытекают наружу. При этом следует помнить, что химическая реакция разложения должна быть экзотермической, то есть энергия в ходе нее должна выделяться, а не поглощаться.
В качестве примера можно рассмотреть двигатели, работающие на гидразине. В результате его разложения на катализаторе образуются аммиак и азот, вытекающие через сопло. Также может использоваться перекись водорода, разлагающаяся на кислород и воду. Все двигатели этого типа имеют существенный недостаток — низкую энергию химических реакций и, как следствие, сравнительно небольшую скорость истечения продуктов разложения. В результате их удельный импульс не превышает 2550 м/с, тогда как у двухкомпонентных двигателей он от 3000 м/с только начинается.
Преимущество однокомпонентных ЖРД — в простоте конструкции, благодаря чему их можно сделать более компактными. Такие двигатели довольно часто используются в системах ориентации больших космических аппаратов (позволяющих поворачивать их в разные стороны) и на межпланетных зондах.
Что касается трехкомпонентных двигателей, то с ними все не так просто. Действительно, существуют проекты с очень высоким удельным импульсом, который может превышать 5000 м/с (за счет реакции «водород-бериллий-кислород»), но их конструкция настолько сложна, что ни одного работающего двигателя этого типа за последние десятилетия построить так и не удалось.
Однако предпринимались попытки создать его по другому принципу — с заменой типа топлива в двухкомпонентном реактивном двигателе непосредственно в полете. К примеру, российский РД-701 вначале работает на керосине и жидком кислороде, а на большой высоте керосин заменяется водородом, и это якобы дает огромный выигрыш в легкости конструкции и даже позволяет строить одноступенчатые ракеты-носители. Правда, ни одой подобной ракеты до сих пор не построили.
«Керосин-кислородные» ракетные двигатели
Большинство двигателей, используемых сейчас на ракетах — двухкомпонентные. Это означает, что в камеру сгорания с одной стороны поступает окислитель, а с другой — горючее. В камере происходит окисление с выделением тепла и газов, которые и выбрасываются через сопло. На заре ракетостроения использовались экзотические, с нынешней точки зрения, виды топлива. К примеру, американцы заправляли свои ракеты обычным бензином, а немецкая V-2 и первая американская межконтинентальная ракета Redstone вообще работали на этиловом спирте.
Сейчас в качестве топлива чаще всего применяют керосин, аммиак, гидразин, несимметричный диметилгидразин и водород. В качестве окислителя обычно используют жидкий кислород, тетраоксид азота N₂O₄, реже — азотную кислоту. Все эти компоненты соединяются между собой в различных комбинациях, дают разные результаты и создают различные проблемы.
Прежде всего, следует вспомнить комбинацию «керосин — жидкий кислород». Точнее, в ракетах обычно используют специальную смесь углеводородов на основе керосина, но для простоты будем считать, что это именно керосин. Такой вид двигателя применяли в советских ракетах типа Р-7 и всех других, построенных на их основе, вплоть до современных «Союзов». Американские ракеты семейств Atlas та Delta, первая ступень носителя Saturn V, доставившего американских астронавтов на Луну, Falcon 1 и Falcon 9, украинские «Зениты» — тоже «керосиново-кислородные». Такие же двигатели использует американская компания Firefly, разрабатывающая собственное семейство ракет-носителей.
Комбинация «керосин-кислород» — весьма популярный компромисс между эффективностью, сложностью, ценой и безопасностью. С удельным импульсом в 3350 м/с эти ракеты можно считать «середняками». Средней является и стоимость топлива. Керосин, конечно, взрывоопасен, и хотя продукты его сгорания (углекислый газ) причиняют вред окружающей среде, однако не столь значительный. С жидким кислородом все гораздо хуже — он существует при температурах существенно ниже нуля по Цельсию, поэтому ко всему вышесказанному о конструкции двигателя нужно еще добавить систему криогенного охлаждения для баков с окислителем. Ее действие можно наблюдать на видео, когда ракета перед запуском «парит».
«Токсичные» двигатели
Следующей по популярности является комбинация гидразина N₂H₄ или несимметричного диметилгидразина (НДМГ) с азотным тетраоксидом (АТ). Двигатели этого типа используются на российских «Протонах» и «Рокотах», китайском «Чанчжен-2», американских Titan 2, 3 та 4. Даже лунные модули программы Apollo заправлялись этой дьявольской смесью. Украинские «Циклоны», кстати, тоже работают на ней.
За что все так любят НДМГ+АТ? Во-первых, при контакте эти вещества сами собой вступают в реакцию (самовоспламеняются), что значительно упрощает конструкцию двигателя. Во-вторых, в единицу объема вмещается на 10% больше НДМГ+АД, чем кислорода и керосина. В-третьих, ни один из этих компонентов не нуждается в криогенной системе охлаждения. Поэтому им можно простить немного более низкий, чем у керосин-кислородных ракет, удельный импульс в 3180-3220 м/с.
А вот о чем нельзя забывать, так это о том, что эта смесь — ужасная отрава. Все варианты сочетания гидразина и НДМГ имеют статус либо «токсично», либо «чрезвычайно токсично». То есть всего несколько капель этого топлива, пролитых на землю, уже представляют опасность для жизни. Если вы слышали слово «гептил» — это просто другое название НДМГ. Как и азотный тетраоксид, он не только ядовитый, но и канцерогенный. То есть, даже уберегшись от отравления, вы рискуете вскоре заработать рак. Кстати, двигатели космического корабля Dragon компании SpaceX тоже работают на комбинации чуть менее токсичной производной гидразина (монометилгидразине) с тем самым азотным тетраоксидом.
Водород и кислород
Еще одной популярной комбинацией является использование жидкого водорода в качестве горючего и жидкого кислорода в качестве окислителя. Такие двигатели были установлены на второй и третьей ступенях Saturn V, европейской Ariane 5, они работают на некоторых американских ракетах последнего поколения и японских Н-ІІ.
Преимущества двигателей такого типа — в высоком удельном импульсе (до 4280 м/с) и экологической чистоте Ни горючее, ни окислитель, ни продукт их реакции (вода) вреда окружающей среде не наносят. Правда, двигатель достигает полной силы только на большой высоте, но все равно он очень мощный.
Недостаток такого сочетания — в чрезвычайной сложности конструкции двигателя. Оба компонента нуждаются в криогенной системе, то есть ракета, кроме горючего и окислителя, должна нести еще и солидный бак с охладителем. Второй минус — жидкого кислорода и жидкого водорода в тот же объем вмещается втрое меньше, чем жидкого кислорода и керосина.
Гибридные ракетные двигатели
Отдельно следует упомянуть так называемые гибридные ракетные двигатели, в которых горючее находится в твердом агрегатном состоянии, а окислитель — в жидком или газообразном. Характерным примером является двигатель ракетоплана SpaceShioTwo. В этом корабле окислителем является обычный N₂O, также известный как закись азота (веселящий газ). Твердое топливо за последние несколько лет менялось дважды. Сначала это был полибутадиен с концевыми гидроксильными группами, затем его заменили термопластичным полиамидом. Однако позже разработчикам что-то не понравилось, и они вернулись к первому варианту. Так или иначе, говоря максимально просто, горючее SpaceShioTwo — это специальный пластик, выделяющий во время горения много тепла .
Стоит отметить, что инженеры Virgin Galactic ничего принципиально нового не изобрели. Именно с гибридными двигателями начинали работать Королев и Годдард еще в 1930-х годах. И большинство современных любительских ракет сейчас летают на двигателях гибридной схемы. Главная причина этого — простота конструкции, дешевизна и относительная безопасность топлива. То есть оба его компонента представляют определенную угрозу окружающей среде, но по сравнению с НДМГ-АТ их можно считать безопасными. Удельный импульс у таких двигателей больше, чем у твердотопливных, но соперничать с жидкостными по этому параметру они все еще не способны. Однако больший удельный вес топлива легко может перекрыть этот недостаток. Теоретически.
Гибридный ракетный двигатель мог бы стать отличным сочетанием преимуществ жидкостных и твердотопливных двигателей, но ракетчики еще несколько десятилетий назад обнаружили у него один фундаментальный недостаток. Два компонента, находящиеся в различных агрегатных состояниях, довольно непросто равномерно подать к месту химической реакции, к тому же по мере сгорания топлива эта задача усложняется. И чем больше ракета, тем больше дополнительных устройств для обеспечения равномерной работы двигателя нужно применять. В результате простота конструкции перестает себя оправдывать.
Вероятно, именно эти проблемы и стали причиной того, что SpaceShipTwo, впервые представленный публике 13 лет назад, до сих пор не начал коммерчески использоваться. Информации о двигателе немного, но, похоже, его мощность уже превысила тот предел, за которым гибридные ракетные двигатели прекращают стабильно работать, а причины этого инженерам так и не удалось устранить.
Экзотические варианты жидкотопливных двигателей
Что касается последних тенденций, то сейчас две наиболее инновационные компании — SpaceX и Blue Origin — разрабатывают двигатели, работающие на комбинации «жидкий метан — жидкий кислород». Это позволит не просто получить высокую мощность (удельный импульс 3800 м/с), но и достичь удельного веса топлива, подобного «керосин-кислородным» ракетам.
Следует упомянуть и экзотический вариант окислителя — жидкий фтор. У него весьма неплохие показатели в сочетании с гидразином (4000 м/с), а особенно — с водородом, где удельный импульс теоретически достигает 4420 м/с. Но использовать его — значит собрать все возможные проблемы с окислителем в одном веществе. Он одновременно нуждается в охлаждении почти до -200°С, чрезвычайно токсичен, реагирует с выделением тепла почти со всем, к чему прикоснется, и к тому же имеет довольно невысокий удельный вес. Несмотря на блестящие теоретические перспективы, связываться со фтором никто не рискует.
В целом о химических реактивных двигателях следует сказать, что, несмотря на высокую мощность и простоту, они имеют довольно туманные перспективы в качестве средства передвижения в космосе. Дело в том, что мы не знаем, как поднять их удельный импульс выше 5000 м/с. Энергия химических реакций сравнительно невелика и, как следствие, большую часть космических аппаратов занимают топливные компоненты. Чтобы получить приличное Δv, мы сейчас вынуждены выбрасывать чрезвычайно много топлива.
Но если в космосе мы, вполне возможно, начнем в ближайшее время применять двигатели с большим Δv, то для того, чтобы оторвать корабль от Земли, мы еще долго будем пользоваться старыми химическими двигателями. И замена им появится еще не скоро…
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
СОЗДАНИЕ РАКЕТЫ СРЕДНЕГО КЛАССА «СОЮЗ-5»
Двухступенчатый экологически чистый носитель «Союз-5» предназначен для пусков с космодромов Байконур и Восточный, а в перспективе и с «Морского старта». Он разрабатывается с 2018 г. (когда и получил собственное имя «Иртыш») не только сам по себе, но и в качестве составного блока нижних ступеней ракеты-носителя сверхтяжелого класса «Енисей», создаваемой для освоения дальнего космоса.
СРАВНЕНИЕ РАКЕТ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С «СОЮЗОМ-2»
Все перспективные носители выполнены в одном диаметре – 4100 мм; для разных вариантов ракет возможно применение головных обтекателей различных типоразмеров. На основе ракет «Союз-5» и «Союз-6» будут созданы блоки нижних ступеней ракеты-носителя сверхтяжелого класса. Предполагается разработка двух вариантов кислородно-метанового носителя «Союз-СПГ» – с многоразовой и одноразовой первой ступенью.
СДЕЛАНО В САМАРЕ
Работы по ракете-носителю «Союз-5» возглавляет самарский Ракетно-космический центр (РКЦ) «Прогресс». Главный конструктор ракеты Александр Черевань утверждает, что новое изделие кардинально отличается от представителей семейства «Союз-2», летающих с 2004 г., и в первую очередь это касается компоновки: «В «Союзе-5» применена тандемная схема, то есть ступени соединяются последовательно, а не параллельно, как в «пакете». Такая компоновка выгодней с точки зрения трудоемкости изготовления, простоты конструкции, трудоемкости подготовки изделия на стартовом и техническом комплексах». На низкую околоземную орбиту ныне эксплуатируемая ракета «Союз-2», представитель среднего класса, выводит порядка 8 тонн в зависимости от космодрома запуска. По формальным признакам «Союз-5» – тоже носитель среднего класса, но на такую же орбиту, например, с космодрома Байконур сможет выводить 17 тонн, а на геостационарную – около 2.5 тонн, что уже приближает ее к тяжелому классу. «Таким образом, у новой машины по массе полезной нагрузки характеристики лучше – более чем в два раза», – замечает Александр Черевань. Одно из серьезных преимуществ – габаритно-массовые показатели, позволяющие перево зить полностью укомплектованные и испытанные блоки носителя по автомобильным и железным дорогам: самая крупная часть «Союза-5» – первая ступень – имеет диаметр 4.1 м и длину 35 м и даже помещается в грузовую кабину транспортного самолета Ан-124-100.
По словам Череваня, в составе носителя будут применяться бортовые комплексы, создаваемые на отечественной элементной базе. На новом уровне – как в части функционала, так и по габаритно-массовым характеристикам – спроектирована система управления. Впервые в России она использует бесплатформенный инерциальный блок с чувствительными элементами на малогабаритных и легких волоконно-оптических гироскопах. «Построение системы управления «Союза-5» с применением быстродействующей производительной бортовой вычислительной машины позволит минимизировать связи между ракетой и оборудованием технического и стартового комплексов, – объясняет главный конструктор «Союза-5». – Это облегчит процесс подготовки изделия, упростит и удешевит наземное оборудование».
МОЩНЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ЗАЩИТА ОТ АВАРИЙ
Первая ступень «Союза-5» будет оснащена мощным высокоэкономичным четырехкамерным двигателем РД-171МВ разработки НПО Энергомаш, вторая – двумя двухкамерными РД-0124МС от воронежского КБ химавтоматики. В настоящее время оба двигателя, работающие на кислородно-керосиновом топливе, находятся на стадии экспериментальной отработки. Так, в Воронеже проведены два огневых испытания стендового образца РД-0124МС с укороченным соплом, подтвердившие устойчивость работы камеры сгорания при пониженном давлении (данный режим предусмотрен при эксплуатации двигателя в составе ракеты). Для максимальной безопасности новой ракеты будет применена система аварийной защиты двигателей: в течение всего полета автоматика будет постоянно опрашивать состояние силовой установки по параметрам ее работы и при выявлении отклонений своевременно выдаст команду на выключение двигателя. В случае нештатной ситуации во время предпусковой проверки такая система сохранит ракету и стартовый комплекс. При возникновении же аварийной ситуации на участке полета второй ступени она позволит оценить возможность продолжения полета на одном двигателе и – при положительном решении – отключит аварийный двигатель.
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
«Проект важен не только со стороны разработки современной ракеты-носителя как нового средства выведения, но и в технологическом плане, – отмечает генеральный директор РКЦ «Прогресс» Дмитрий Баранов. – Мы переходим на новый алюминиевый сплав Р-1580. Он впервые будет использован при создании ракетной техники, и это значительно облегчает конструкцию ракеты. Технологии создания «Союза-5» тоже современные: сварка трением с перемешиванием впервые будет использована для соединения деталей баковых конструкций». Сплав Р-1580 относится к классу материалов «алюминий-магний-скандий» и практически идентичен широко используемому в отечественной ракетной технике АМг6, однако гораздо прочнее его, что позволит снизить массу баков почти на треть. Автоматическая сварка трением с перемешиванием будет проводиться также на отечественном оборудовании, выпускаемом ЗАО «Чебоксарское предприятие “Сеспель“». К концу 3-го квартала первую из трех заказанных установок, обеспечивающих соединение плит толщиной около 30 мм, доставят в Самару, где в одном из цехов «Прогресса» под нее уже готовится фундамент. «Сейчас полным ходом мы выпускаем рабочую документацию для производства, по которой будет идти изготовление ракеты, – рассказывает Дмитрий Баранов. – Уже заключили договоры со многими смежными предприятиями, которые должны будут поставлять нам комплектующие – двигатели, системы управления, системы измерения и многое другое…» Сборка ракеты будет организована в действующих цехах предприятия. «Мы начинаем готовить и свои производственные мощности – все,что касается оснастки, оборудования, – говорит гендиректор РКЦ «Прогресс». – Сейчас идет изготовление испытательных образцов. Первый летный [образец] – конец 2022 г. – начало 2023 г.».
Ракета-носитель среднего класса «Союз-5»
СТУПЕНЬКА В БУДУЩЕЕ
В рамках программы «Создание космического ракетного комплекса сверхтяжелого класса» блок первой ступени «Союза-5» будет использоваться в качестве блоков нижних (первой и второй) ступеней «Енисея», первый пуск которого с космодрома Восточный ожидается в конце десятилетия. На базе «Союза-5» и задела по новым технологиям планируется создание и других носителей. На форуме «Армия-2020» было объявлено, что самарское и королёвское предприятия определяют облик ракеты среднего класса «Союз-6», обладающей возможностями того же порядка, что и у ныне эксплуатируемого «Союза-2». Ранее в интервью ТАСС глава Госкорпорации Дмитрий Рогозин предположил, что «Союз-6» можно будет испытать на космодроме Байконур уже в 2025 г. По словам Дмитрия Баранова, вопреки предсказаниям сторонних наблюдателей, для «Союза-5» не планируется создание многоразовой первой ступени – эта тема рассматривается в специальном проекте под разрабатываемый в КБ химавтоматики кислородно-метановый двигатель тягой 85–100 тс. «Учитывая все преимущества двигателя, использующего топливную пару «жидкий кислород / сжиженный природный газ», неправильно не рассматривать вопрос построения ракетыносителя с многоразовой ступенью (или даже ступенями). РКЦ «Прогресс» такие проработки ведет с 2015 г., и они показали принципиальную возможность создания перспективных носителей различных схем», – сообщил в интервью ТАСС Дмитрий Баранов. В августе этого года Роскосмос объявил конкурс на создание комплекса с двухступенчатым носителем на сжиженном природном газе и возвращаемой первой ступенью для пусков с космодрома Восточный. Проект получил шифр «Амур-СПГ». Без возврата первой ступени «Амур» сможет выводить на опорную орбиту до 12 т полезного груза, а со спасением и повторным использованием – до 9.5 т. Согласно техническому заданию, многоразовая первая ступень должна выдерживать как минимум десять запусков.
МЕСТО СТАРТА
Пуски «Союза-5» будут проводиться с космодрома Байконур на базе ракетно-космического комплекса «Байтерек». Помимо ракеты-носителя, в этот комплекс входит наземная космическая инфраструктура, которая создавалась под ракету «Зенит-М». 22 августа 2018 г. Россия и Казахстан зафиксировали зоны финансовой ответственности при реализации проекта «Байтерек»: российская сторона отвечает за создание ракеты и модернизацию технического комплекса разгонного блока и космических аппаратов, а казахстанская – за реконструкцию наземной и сопутствующей инфраструктуры, создание учебно-тренировочных средств подготовки персонала, а также отведение районов падения на территории Казахстана. Календарным планом по «Байтереку» предусмотрена разработка проектно-сметной документации и ее утверждение в 2021 г. После этого начнется этап строительно-монтажных работ со сроком их окончания в 2023 г. и сдачей комплекса в эксплуатацию. Основная часть работ по модернизации стартового и технических комплексов будет проводиться российскими предприятиями. Работы по «Байтереку» будут вестись параллельно с созданием «Союза-5», чтобы стартовый комплекс и ракетаноситель были готовы одновременно.
Программа секции «Стартовые комплексы и ракеты-носители» Летней Космической Школы — 2023
Секция «Стартовые комплексы и ракеты-носители» на Летней Космической Школе – это возможность погрузиться в мир ракетостроения и создания космодромной инфраструктуры. Вы изучите особенности конструкции современных ракет-носителей и стартовых комплексов, а также узнаете о том, как происходит подготовка к запуску. Это отличная возможность для тех, кто мечтает работать в космической индустрии, получить первые знания в этой области и узнать, как работает настоящая космическая техника.
Длительность программы: 16 часов занятий в секции (лекции и практика)
Расписание занятий
Программа секции: разработана при участии специалистов космической отрасли. Участники познакомятся с тем, как устроены современные ракеты-носители, какие технологии применяются при производстве ракетных компонент, как формируется комплекс из ракеты-носителя, стартового сооружения и последовательности операций по подготовке к старту.
Приглашенные лекторы: действующие сотрудники космической отрасли и ведущие специалисты предприятий Роскосмоса, преподаватели космических ВУЗов и сотрудники частных космических компаний.
Практика: моделирование с помощью специализированного ПО позволит вам лучше понять процессы, происходящие внутри ракетных двигателей и при старте ракет-носителей. Эксперименты с напечатанными на 3D принтере моделями баков и отсеков ракет, продемонстрируют разницу в разных видах конструкции. Также участники будут решать задачи, которые дадут познакомиться с принципами экономики и жизненного цикла ракет-носителей и узнать, как эти факторы влияют на конструкцию и разработку космических комплексов.
В сценариях симуляции космического полета участники секции будут отвечать за средства выведения для данных миссий. Им предстоит предложить компоновку для ракет-носителей и написать программу выведения полезной нагрузки на орбиту.
Что узнают и чему научатся участники:
- узнают о конструкции современных ракет-носителей и ракетных двигателей;
- узнают о методах проектирования и тестирования ракетных двигателей и ракет-носителей;
- познакомятся с экономическими аспектами производства и эксплуатации ракет-носителей, а также с жизненным циклом этих устройств;
- научатся работать со специализированным ПО для моделирования работы ракетных двигателей и полета ракет-носителей.
Основные темы
- Конструкция ракет-носителей и ракетных двигателей;
- Стартовые комплексы, экономика и жизненный цикл ракет-носителей.
Программа секции:
-
Конструкция ракет-носителей и ракетных двигателей
Механика полета ракеты-носителя
Силы, действующие на ракету. Динамика изменения внешних воздействий на ракету. Переходные процессы и устойчивость конструкции жидкостных ракет-носителей.
Основы проектирования ракет-носителей
Устройство ракет-носителей, основные системы ракеты-носителя, виды компоновок ракет-носителей, методы проектирования, технологии, материалы и инструменты, расчет массовых характеристик одно- и многоступенчатых ракет-носителей
Испытания и отработка ракет-носителей
Виды испытаний. Программное обеспечение для моделирования процессов полёта, структурных нагрузок, моделирование испытаний на земле и в космосе. Стенды для натурных испытаний компонент ракет-носителей.
Принципы работы ракетных двигателей
Устройство простейшего ракетного двигателя, физический принцип работы, термодинамический цикл ракетного двигателя, классификация ракетных двигателей: жидкостные ракетные двигатели, твердотопливные ракетные двигатели, электрореактивные двигатели, ядерные тепловые и импульсные ракетные двигатели
Разработка и проектирование ракетных двигателей
Методы проектирования, материалы, используемые при конструировании ракетных двигателей, технологии их изготовления, аддитивные технологии и 3Д печать
Стартовые сооружения ракет-носителей
Основные компоненты стартового комплекса ракеты-носителя, факторы, воздействующие на стартовое сооружение при старте ракеты-носителя, требования к безопасности и надежности, виды стартовых комплексов — наземный, воздушный и морской старт.
Организация пусковой кампании ракеты-носителя
Методы планирования пусковых кампаний. Виды ресурсов, необходимых для организации запуска ракеты-носителя. Заказ, доставка и хранение компонент топлива и вспомогательных газов. Доставка, хранение, сборка и испытания компонент ракеты-носителя. Кадровое обеспечение запуска ракеты-носителя.
Экономика ракет-носителей
Жизненный цикл ракет-носителей: производство, транспортировка, подготовка, запуск, утилизация. Особенности жизненного цикла многоразовых ракет-носителей. Что делает ракету-носитель эффективной и конкурентоспособной: стоимость запуска и страховки, заполненность полезной нагрузкой и другие экономические характеристики ракет-носителей. Методы оптимизации стоимости и снижения затрат на эксплуатацию.
Законодательные и социальные аспекты создания стартовых комплексов
Юридические вопросы сертификации космодромов, общественное восприятие и влияние на окружающую среду, выбор места расположения космодрома с учетом конфликтующих требований эффективности, доступности и безопасности