Новости Космонавтики - Журнал

Архив номеров


Содержание номера


ГЛАВНОЕ

«Казбеки» штурмуют МКС

Биографии членов экипажа ТК «Союз ТМА-06М»

Подготовка к запуску

Первый набор в единый отряд Роскосмоса

Биографии кандидатов в космонавты

КОСМИЧЕСКИЕ ПРОГРАММЫ РОССИИ

Российские планы исследования Солнечной системы

ПИЛОТИРУЕМЫЕ ПОЛЕТЫ

Первая коммерческая миссия «Дракона»

Грузы Dragon’а

Полет экипажа МКС-33. Октябрь 2012 года

О казахстанских космонавтах

«Прогресс М-17М»: оттачивание быстрого сближения

ЗАПУСКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Третий Navstar поколения IIF

«Союз» строит Galileo

«Шицзянь-9» – демонстраторы технологий

«Звезда» геостационара. В полете – КА Intelsat 23

Землевед по имени CHEOPS

Китайская региональная навигационная система построена

ВОЕННЫЙ КОСМОС

Ядерная триада России в действии

Кубсаты цвета хаки

СКОЛКОВО - КОСМОНАВТИКЕ

Конференция «Инновации в космической отрасли»

КОСМИЧЕСКИЕ ПРОГРАММЫ

Миллиарды гривен на космос

ПРЕДПРИЯТИЯ. ОРГАНИЗАЦИИ

Он сказал «Поехали!» и… взял ипотеку

Виктор Хартов: «К успеху – малыми шагами»

Интеграция двигателестроителей

Праздники и будни «Красмаша»

ПИЛОТИРУЕМАЯ ТЕХНИКА

Прыжок веры

СРЕДСТВА ВЫВЕДЕНИЯ

Virgin Galactic предлагает легкий носитель

Из шаттла делаем Saturn…

КОСМИЧЕСКИЕ МУЗЕИ

Электрический макет «Бурана» станет экспонатом

Увезу тебя я «Тундрой»…

КОСМОДРОМЫ

Космодром Байконур сегодня

МЕЖПЛАНЕТНЫЕ СТАНЦИИ

Curiosity исследует грунт Марса

АСТРОНОМИЯ

Voyager 1 вышел в межзвездное пространство?

Что там, за горизонтом?

СОВЕЩАНИЯ. КОНФЕРЕНЦИИ. ВЫСТАВКИ

«Космическая симфония» в Магнитогорске

ЮБИЛЕИ

«Достичь космических высот». Интервью с Геннадием Райкуновым

КОСМОНАВТЫ. АСТРОНАВТЫ. ЭКИПАЖИ

О годовом полете на МКС

Туристом будет Сара Брайтман?

Из шаттла делаем Saturn…

Автор: Чёрный И.

Надежда Америки на пилотируемый прорыв в дальний космос – «Система космических запусков» SLS (Space Launch System) – постепенно переходит из виртуального мира в материальный. Одни элементы еще проектируются, а другие уже проходят испытания. Посмотрим, как идет процесс… 

Контракты
Октябрь принес подвижки в процессе рождения нового ракетного гиганта. Напомним: проект SLS зародился на руинах программы Constellation, отмененной президентом Бараком Обамой в феврале 2010 г. на основании выводов комиссии Нормана Огастина. Сам проект нового сверхтяжелого носителя и его облик были выбраны под давлением Конгресса: в отличие от ракет линейки Ares, SLS должен быть основан на максимально полном заимствовании готовых элементов свернутой программы Space Shuttle (НК №6, 2011, с.60; НК №9, 2011, с.46-47; НК №11, 2011, с.50). 

В ближайший календарный год проект SLS должен пройти ряд важных контрольных пунктов. Состоится защита эскизного проекта PDR (Preliminary Design Review) для первого варианта носителя SLS Block I, а также для элементов ракеты, в том числе ее первой ступени. Внешне SLS вряд ли изменится кардинально, но ее «внутренняя» эволюция может быть значительной…

Как известно, NASA приняло решение разрабатывать SLS поэтапно с последовательным наращиванием массы полезного груза от 70 до 130 т. И если первый вариант еще может обойтись стартовыми ускорителями на базе шаттловских, но увеличенных с четырех сегментов до пяти, то наиболее тяжелая версия SLS потребует разработки новых ускорителей, превышающих по потребному уровню тяги любой существующий единичный американский ЖРД или РДТТ. Но в нынешних условиях серьезный двигатель рождается мучительно долго, поэтому руководство программы старается как можно скорее определиться с разработкой.

1 октября NASA выдало первые три контракта общей стоимостью 137.3 млн $ на исследование перспективных стартовых ускорителей для SLS второго этапа. Передовые концепции должны быть представлены через 30 месяцев. Для участия в конкурсе отобраны три компании:
  1. ATK Launch Systems Inc. (Бригэм-Сити, штат Юта) определит ключевые риски, связанные со снижением затрат на производство РДТТ – в частности, в области композитного корпуса, топлива, сопла, а также разработки авионики и методов управления.
  2. Dynetics Inc. (Хантсвилл, Алабама) продемонстрирует использование современных производственных технологий для изготовления и испытания некоторых основных компонентов мощного жидкостного двигателя F-1, изначально разработанного для РН Saturn V, в том числе «интегрированного силового агрегата» (Powerpack)* и ротора турбонасоса. Кроме того, надо будет показать инновации, пригодные в изготовлении металлических криогенных баков.
  3. Northrop Grumman (Редондо-Бич, Калифорния) представит существенно обновленный дизайн и технологии производства композитных топливных баков с низким уровнем затрат на разработку и изготовление.
Агентство сообщило, что запрос на предложения будет действовать еще в течение 12 месяцев. При необходимости (и в случае наличия требуемого финансирования) могут быть выданы дополнительные контракты. Стоимость работ будет меняться в зависимости от общего объема инвестиций NASA, которые оцениваются в 200 млн $. 

Однако даже в случае успеха нет гарантии, что фирма-разработчик получит полноценный заказ на перспективный ускоритель. Объявленный конкурс – лишь первый этап на пути к его созданию. Призеры получат задание на разработку демонстраторов технологий и концепций снижения рисков для самого мощного варианта SLS, подкрепленные федеральным финансированием. Наконец, в 2015 г. предполагается провести конкурс на проектирование, разработку, испытания и оценку перспективных ускорителей для SLS. В этом новом соревновании смогут принять участие не только победители первого этапа.

Испытания
В октябре модель ракеты SLS с кораблем Orion прошла продувки в аэродинамической трубе (АДТ) PSWT (Polysonic Wind Tunnel) фирмы Boeing в Сент-Луисе, штат Миссури. Эти тесты стали продолжением испытаний модели, выполненной в масштабе 1:125 от реальных размеров, в трубе UPWT (Unitary Plan Wind Tunnel) Исследовательского центра имени Лэнгли*.

Продувки на PSWT охватывали расчетные случаи в диапазоне чисел М=0.5...1.6. Тест шел непрерывно, в две смены, причем к его исходу было заполнено всего около 30% матрицы испытаний. База данных по аэродинамическим силам и моментам, воздействующим на носитель первого этапа Block I (его отдельные варианты обозначаются как SLS-1000X), будет готова в декабре 2012 г.

Кроме того, в трехмаховой АДТ Космического центра имени Маршалла прошли аэродинамические испытания конфигурации грузового Block IА (SLS-27000) и пилотируемого Block IB (SLS-28000) вариантов носителя второго этапа. Эти продувки имели целью определить силы и моменты, действующие на ракету. 
Наконец, в середине сентября в трансзвуковой трубе TDT (Transonic Dynamics Tunnel) Центра Лэнгли были испытаны первые крупномасштабные модели пилотируемого варианта SLS второго этапа длиной 3.66 м (масштаб 1:27). Целью продувок стала оценка нестационарных аэродинамических явлений, способных вызвать вибрации и резонанс носителя. 

«Нужно оценить все возможные условия, с которыми РН может столкнуться при прохождении атмосферы, – заявил Джон Блевинс (John A. Blevins), ведущий инженер SLS по аэродинамике и акустике. – Мы рассматриваем множество различных конфигураций и конструкций той же ракеты, обнаруживая, как они реагируют на изменения условий полета».

«Как только мы проанализируем данные, можно будет определить наилучшую конфигурацию и усовершенствовать конструкцию носителя, – разъяснил главный инженер проекта SLS Гарри Лайлз (Garry Lyles). – Любые изменения должны вводиться безопасно, быстро и недорого, прежде чем будет построена полномасштабная версия [ракеты]».

Разворачиваются и испытания двигательных установок. В рамках подготовки к началу квалификационных огневых стендовых испытаний (ОСИ) пятисекционных стартовых ускорителей, намеченных на май 2013 г., подрядчик – корпорация ATK – уже начала изготовление первых комплектов оборудования. В сентябре были снаряжены твердым топливом начальные сегменты первых двух СТУ. Кроме того, ATK поставила бортовое радиоэлектронное оборудование ускорителя (а Boeing – центральной ступени), а также программное обеспечение для испытаний в Центре Маршалла.

15 кислородно-водородных двигателей RS-25D** фирмы Pratt & Whitney Rocketdyne были переданы в Центр Стенниса из Центра Кеннеди в рамках подготовки к стендовым испытаниям первой ступени.

8 июня в Центре Стенниса прошел тест «интегрированного силового агрегата» (Powerpack) нового двигателя J-2X, побивший прежний рекорд: ОСИ длились 1150 сек, что более чем на минуту превышает продолжительность предыдущего рекордного прожига***.

J-2X – первый кислородно-водородный двигатель для пилотируемых полетов, разработанный за последние сорок лет. Его делает фирма Pratt & Whitney Rocketdyne по заказу Центра Маршалла, который отвечает за разработку носителя в целом. Им будет оснащаться верхняя ступень Космической пусковой системы SLS второго и третьего этапов.

Для NASA проверка стала важной вехой в разработке двигателя. «Эти ОСИ имели самую длинную и сложную циклограмму работы J-2X на сегодняшний день, – прокомментировал Майк Кайнард (Mike Kynard), менеджер системы SLS по двигательным элементам. – Поставив перед испытаниями как можно больше целей, мы стремились выжать максимум из каждой возможности выполнить прожиг, работая как можно более эффективно и дешево при сохранении разумного уровня риска».

Во время ОСИ турбонасосы горючего и окислителя проходили многочисленные «рабочие точки», необходимые для определения их характеристик по всей циклограмме работы двигателя. Результаты теста будут полезны для уточнения ресурса турбонасосов. Кроме того, они позволяют операторам откалибровать поток на стенде, измеряющем количество жидкого водорода и жидкого кислорода, которые проходят через «интегрированный силовой агрегат».

Центральная ступень – критическая важная часть SLS, и все силы брошены, чтобы обеспечить жесткое соблюдение графика ее разработки. NASA уже приступило к подготовке стенда B-2 в Центре Стенниса для испытаний ступени, которые будут выполняться перед отправкой ее на запуск в Центр Кеннеди в 2017 г. Блок будет изготавливаться на сборочном заводе в Мичуде, где ранее выпускались внешние топливные баки шаттлов, а до этого – ступени РН Saturn V.

15 июня Центр Маршалла завершил «Обзор системных требований» SRR и «Обзор системного проекта» SDR основного элемента носителя SLS – центрального блока первой ступени. Специалисты NASA и инженеры компании Boeing, являющейся головным подрядчиком по созданию блока, представили полный набор документации в области требований к системе, разработки концепции и подходов к производству чертежей. Центральный блок SLS будет иметь более 61 м в высоту при диаметре 8.4 м. Ступень ракеты первого этапа оснащается четырьмя кислородно-водородными ЖРД RS-25D – оставшимися от программы Space Shuttle маршевыми двигателями SSME. 

В рамках «тонкой настройки» процесса проектирования центральной ступени инженеры Boeing недавно рекомендовали внести изменения в конструкцию донного теплозащитного экрана, окружающего четыре двигателя типа RS-25. Первоначальная концепция этого экрана была развитием конструкции, которая использовалась на орбитальных ступенях системы Space Shuttle. Она представляла собой купол из плиток теплозащиты и кольцо из гибких теплозащитных матов, окружающих каждый SSME так, что наружу выступают только сопла. 

Эта конструкция, известная как «веко и купол» (eyelid and dome), оставалась неизменной в течение всего срока эксплуатации кораблей системы Space Shuttle. «Веко» – жесткая сфера, прикрепленная к соплу двигателя, в то время как «купол» – ответная деталь, закрепленная в корме орбитальной ступени. Он имеет жесткую коническую часть с теплозащитными плитками и гибкую часть с уплотнением, которое прижимается к «веку» с помощью 48 пружин. Эта хитроумная и сложная композиция требовала огромных усилий и уйму времени на межполетное обслуживание.

Поскольку для одноразовой SLS не требуется возвращать двигатели на Землю для повторного использования, изменения в концепции донной теплозащиты обуславливаются уже не требованиями к этапу возвращения из космоса, а условиями выведения на орбиту. Множество факторов повлияло на необходимость внедрения новой конструкции. В первую очередь, это связано с улучшением характеристик гибких теплозащитных материалов, обеспечивающих существенное снижение массы хвостовой части центрального блока. Вследствие этого команда инженеров Boeing рекомендовала заменить «веко и купол» гибкими матами – наподобие тех, что служат для защиты сопел твердотопливных ускорителей и других двигателей одноразовых РН*. Конструкция с матами экономит около 300 кг массы, а также упрощает и удешевляет производство. 
Финансовые нюансы и перспективы
Разработка SLS ведется по нестандартному для американских программ графику. Обычно финансирование по годам изменяется пропорционально текущей трудоемкости проекта. По словам Джеймса Чилтона (James Chilton), вице-президента Boeing по программе Space Exploration и менеджера проекта ступеней SLS, новый профиль бюджета проекта «плоский». Иными словами, он предусматривает равномерное выделение финансовых ресурсов по годам.

Бюджетный «потолок» годового финансирования не позволяет вести одновременную разработку центрального блока, верхней ступени, головного обтекателя, новых двигателей, а также перспективных ускорителей для окончательной конфигурации SLS на 130 т. Такой график создает уникальную проблему: создание сверхтяжелого носителя SLS необходимо вести эволюционно, то есть постепенно, без «скачков». 

По мнению Дж.Чилтона, чтобы добиться долговременного успеха и защитить программу SLS от закрытия, необходимо достичь ряда важных целей. «Во-первых – не позволить, чтобы временные вариациим бюджета нарушали календарный план работ. [Лишь] стабильное финансирование, идущее в ногу с инфляцией, позволяет программе поддерживать устойчивый и предсказуемый ритм. Строительство наземных объектов должно финансироваться в полном объеме вплоть до ввода в строй даже в условиях, когда бюджет не утвержден и деньги выделяются по временной резолюции Конгресса. Важно также иметь окончательные, тщательно проработанные контракты, условия которых удерживают подрядчиков в работе и на пути к первоначальным целям.

Во-вторых, следует признать: при выбранном графике финансирования NASA придется поэтапно доводить носитель до грузоподъемности 130 т на низкую околоземную орбиту... С учетом финансовых ограничений в каждый отдельный период может разрабатываться лишь один новый элемент SLS. Решение о том, который из них должен быть следующим, определяется необходимыми возможностями по выведению на околоземную орбиту или на отлетную траекторию... Если реальная цель программы освоения состоит в работах за пределами низкой орбиты, следует ориентироваться на величину 50 т на отлетную траекторию...

Наконец, необходимо гарантировать постоянство конечной цели вновь принимаемыми решениями... К примеру, нет необходимости возвращаться к уже решенным вопросам, в частности к сравнению малых и больших ракет для миссий в дальнем космосе».

Лишь при соблюдении этих условий Соединенные Штаты получат к началу четвертого десятилетия XXI века (!) отработанную систему, которая позволит выполнять разнообразные высокоэнергетические миссии, включая запуск пилотируемых кораблей и выведение уникальных научных КА. 
Мэтт Маунтин (Matt Mountain), директор Научного института космического телескопа, отмечает, что SLS обладает рядом уникальных возможностей. Грузоподъемность от 70 до 130 т на низкой околоземной орбите означает, что в проектах кораблей и обсерваторий можно использовать более традиционные материалы и компоненты. Сверхлегкие компоненты можно заменить более тяжелыми и жесткими структурами, специализированную электронику высокой стоимости – более дешевой из коммерчески доступных. Это позволяет упростить проект и снизить риск миссии.

Большой объем головного обтекателя SLS позволит разработчикам выбрать более простые конструкции перспективных телескопов. Например, следующее поколение космических УФ-телескопов выиграет, если обтекатель будет иметь не менее 8 м в диаметре, а для некоторых конструкций – и до 10 м. Однако важен не только поперечный, но и продольный размер: часть научных миссий потребуют обтекателя высотой до 25 м.

Наконец, увеличенная энергетика SLS означает, что стартовые окна при запуске межпланетных зондов можно будет значительно расширить. В некоторых случаях это позволит выполнять прямые перелеты к телам Солнечной системы, сберегая время, которое ныне тратится на пертурбационные маневры и экономичные, но длительные гоманновские траектории. Таким образом, у США может появиться более регулярный доступ к иным труднодоступным космическим объектам. Впрочем, чтобы реализовать огромный потенциал, затраты на использование SLS должны быть соизмеримы с возможностями научных организаций.

По материалам NASA, Boeing, nasaspaceflight.com
Журнал Новости Форум Фото Статьи Книги