Category: технологии

Category was added automatically. Read all entries about "технологии".

долгое сияние 11к77, ч.2

Пару слов можно сказать и о Руси-М.
[простыня]В проекте семейства отказались от носителей легкого класса, и перешли на почти зенитовский диаметр 3,8 м, упрощающий создание тяжелых вариантов. Теперь базовым вариантом является "сильно урезанная ступень Зенита" с двухкамерным РД-180 ценой примерно 11-12 миллионов и приблизительной полезной нагрузкой 6,5 тонн - несколько недостаточно для замены РН Союз в доставке "союзов" и "прогрессов". Видимо, дело в том, что хруничевцы пробили через Роскосмос дикое требование ухода ракеты со старта при выходе из строя одной из камер - событие в вкроме как максимально ужать стартовый вес до 200 тонн. Сами хруничевцы, разумеется,этому требованию не удовлетворяют никак, а спасение экипажа обычно осуществляется уводом пилотируемого корабля специализированными двигателями. И после красивых слов о дублировании уже практически готовой Ангары проект закрыли - хотя в сегменте средних носителей Русь более дешева и выгодна, чем Ангара.
Неэффективность размеров базового блока Русь-М можно проиллюстрировать тем фактом, что конкуренция с Протоном осуществляется вариантом с пакетом из трех базовых блоков. Стоимость двигателей в нем составляет 35 миллионов, что несильно отличается от пятиблочной Ангары с ее движками на 40 миллионов. Далее, сравнительно с Зенитом, в Руси используется три блока плюс вторая водородная ступень (и типовый разгонник - Бриз/Фрегат), а в Зените - один блок плюс унифицированная с ним по конструкции керосиновая же вторая ступень (и аналогичный разгонник); при этом полезный груз на геопереходной орбите у них практически одинаковый. Иными словами, Русь-М носит слишком большой мертвый груз, и на нее нужно тратить много труда и денег. Более тяжелые пятиблочные варианты страдают от недостаточной размеренности базового блока первой ступени.

Вообще, надо сказать о российском ЖРД-строении. Исторически самым развитым и мощным был глушковский Энергомаш, создававший и производивший маршевые двигатели для многих систем - в частности, двигатели для Протона и семейство керосинового РД-170; затем шла воронежская Химавтоматика, в основном, специализировавшаяся на небольших двигателях разгонных блоков и иногда маршевых двигателях для боевых ракет или том же водородном РД-0120 для РН Энергии; и слабее всех была авиационная кузнецовская фирма, занимавшаяся серийным производством двигателей для Союза и двигателем НК-33 с трудной судьбой. Если прекратятся пуски Союзов - кузнецовская фирма полностью уходит из ракетостроения с соотвествующей утратой квалификации. После остановки запусков Протонов у Энергомаша остается семейство РД-170 - четырехкамерный РД-171 для Зенита, двухкамерный РД-180 для Локхида, однокамерный РД-191 для Ангары (и модификация РД-193 для Антареса).
Казалось бы, неплохо - есть чем жить. Однако усилиями хруничевцев российский правительственный заказ на Зенит уничтожен, Морской старт сначала подбит повышением цен на двигатели (скандал 2010-го, Лопота из РКК Энергия, управлявший Энергомашем, занижал цены ради экономии на таможенных пошлинах, возвращая доходом), а затем раздавлен вместе с полуавтономной империей Лопоты (он ушел из Энергии, потеряв юридически возможность сохранять свой статус). Затем Рогозин нагрузил Остапенко задачей распродажи Морского старта, после чего анонимный источник в Роскосмосе поведал прессе, что Морской старт может купить... барабанная дробь... Израиль! Знает ли Израиль, что он хочет купить плавучий космодром и заняться массовым космиическим извозом? Я сомневаюсь :-)
Затем встал вопрос о РД-191 для Ангары: убедившись, что двигатель прошел испытания, хруничевцы пробили решение Роскосмоса о создании его производства на омском Полете, входящем с недавних пор в состав хруничевского предприятия. Энергомаш долго под разными предлогами не хотел отдавать чертежи, пока к нему не нагрянул спецназ с обыском...
В сухом остатке Энергомаш кормят только поставки за рубеж РД-180 для Локхида и потенциальные поставки РД-193 для Антареса. Причем энергомашевцы понимают, что Локхид со своими маразмами и распилиадой не вытянет долго против СпейсИкс, и ждут начала поставок движков для Антареса. Перспектива эмбарго на экспорт их не слишком радует - они понимают, что Протоны, несмотря на дешевизну, параллельно с Ангарой на госзаказе долго летать не будут (а коммерческих заказов уже нет). В итоге останется только воронежская Химавтоматика, да и то в качестве производителя двигателей разгонных блоков.
Вот так хруничевцы - которые бывашие челомеевцы, ЕВПОЧЯ - уничтожают советско-постсоветскую космонавтику: сначала конкурентов с их подрядчиками, потом отжившие производства, а потом бритвой рентабельности убьют их бездарные поделия. Воистину, зачем Сименон с Агатой Кристи, Саймак с Азимовым, Эдгар По с гуро, Петросян с Бенни Хиллом, зачем это все, если все это можно увидеть в новостях Роскосмоса?

Вообще Южмаш тоже думал над проблемой унификации носителей, и разработал семейство Маяк. В нем унифицируются не сами ракетные блоки - это невыгодно - а отдельные технологические элементы: двигатели, баки, ступени. Большинство вариантов использует зенитовский топливный бак
обычной и укороченной длины (что технологически проще производства множества малых баков), а для легкой ракеты предусмотрен узкий трехметровый бак (есть и некрасивый вариант с такой ступенью, стоящей на толстой зенитовской). Все эти варианты степеней (в т.ч. разгонные блоки) снабжаются всего тремя типами двигателей - парой однокамерных маршевых на выбор (РД-801 и РД-810 - аналогом РД-191) и двигатель для разгонника. Двигатели разработаны на основе ранее выпускавшихся на заводе РД-120 и РД-170 и в Украине, вроде, существуют только на бумаге и узлах на стендах (хотя РД-801 успешно испытан в Китае и идет там в серию) - хотя использование однокамерных двигателей наверняка дорого. Впрочем, был бы заказчик, а спроектировать турбины для многокамерных двигателей. Можно сказать, что набор вариантов позволяет удовлетворить запросы почти любого вменяемого заказчика - максимальная нагрузка достагает 70 тонн. Однако украинские правительства по коррупционным и финансовым соображениям не торопилось вкладывать немалые деньги в доработку ракетных проектов до металла, а у других стран есть свои отечественные производители, поэтому Южмаш ходит как сапожник без сапог. А потом пришел Маск, и все проекты одноразовых ракет перестали быть соблазнительными для инвесторов.

А теперь самая печальная тема - сравнение южмашевского Зенита со своим американским аналогом Фолкон-9. Надо сказать, что о Фолконе совсем немного достоверных данных - только стартовая масса, габариты, тяга и масса двигателей, полезная нагрузка. Однако этого вполне хватает, чтобы реконструировать основные отличия.
Первое - это на 25-30% меньшая масса топливных баков на единицу длины по сравнению с зенитовскими. Каковы же причины столь значительного отставания? Как устроены вообще баки Зенита? А вот так:





Видно, что к стенкам (толщиной примерно 16 мм) прикреплены продольные и поперечные ребра жесткости примерно той же высоты. Подобну конструкцию баков называют в русскоязычной литературе вафельной, а в англоязычной изогридной. Так вот: всю эту красоту получают, месяц за месяцем высверливая (точнее, фрезеруя) "ямки" между будущими ребрами жесткости. Затем полученные панели проходят химическое фрезерование, убирающее значительную часть огрехов механического, после чего люди вручную шлифуют заусенцы. Затем эти панели сваривают в топливный бак, снова зачищают сварные швы, устанавливают внутрибаковые топливопроводы, баллоны с газом, перфорированные пластины для гашения колебаний и отправляют бак на испытания и мойку баков (от масла, ветоши и заусениц).
Брутально? Да. Долго? Ужасно. Дорого? Наверняка. Но другой технологии изготовления баков в 60-80-х не было. Пробовали, конечно, делать баки с гладкими стенками, но их жесткость была недостаточна: они деформировались от не слишком сильного поперечного удара, и требовались либо титанические меры для их транспортировки, либо сварка корпусов на космодроме (как поступил Королев с Н1). Вафельная конструкция - увы, требование безопасности и транспортабельности.
Однако такая технология, несмотря на принимаемые меры, чревата образованием мелких металлических частиц. На беду, создававшийся в конце 70-х Энергомашем двигатель РД-170 оказался очень чувствительным к таким частицам: попадая в узкий зазор - 0,8 мм - между лопатками турбины и корпусом насоса, они заклинивали его, и двигатель глох с падением ракеты на старте (а иногда и в воздухе). Причина дурацкая, лечится увеличением зазора, при этом двигатель теряет всего 4-5% тяги - но именно поэтому патриарх советского двигателестроения Глушко не решился на такую модификацию (сталинская школа, фигли). Потом на такую пустяковую модификацию не оказалось средств ни у Энергомаша, ни у Южмаша, и после каждой аварии Зенита две уважаемые конторы начинают ругаться на весь белый свет и еще более лучше мыть баки и двигатели... Вот такая советская космонавтика, да. Хотя в своих движках для семейства Маяк Южмаш пошел на снижение температуры кислорода и увеличенные зазоры.

Многое изменилось с появлением описанной выше технологии сварки трением с перемешиванием - появилась возможность изготавливать шпангоуты, лонжероны и обшивку отдельно, а затем их сваривать. Подробности технологии или фотоснимки участков сварки производители ракет, увы, пока не публикуют - однако по вздутиям на обшивке фюзеляжа можно утверждать, что она выполнялась отдельно от силового набора. Это технология облегчила корпус незначительно (на 1-2%), но значительно снизила трудоемкость и удешевила производство.

Что еще помогло снизить вес баков Фолкона? Использование алюминиево-литиевых сплавов, обладающих примерно на 8% большей прочностью по сравнению с традиционными для пост-СССР алюминиево-магниевыми славами. Вообще, в СССР пытались внедрять алюминиево-литиевые сплавы, однако слабое относительно западного блока материаловедение не позволило наладить достаточно массовый для ракетостроения выпуск сплавов со стабильными свойствами. Использование малопроверенных алюминиево-литиевого сплава в хвостовой части Миг-29 привело к образованию усталостных трещин после десятка-полутора лет малоинтенсивной эксплуатации и списанию таких самолетов.

Но эти факторы объясняют только 10%-ную разницу веса баков Зенита и Фолкона. Какие есть еще причины?
После отжатия Крымнаша и объявления Украины зоной-404 еще не ушедший из РКК Энергия Лопота стал пробивать в Роскосмосе планы по организации выпуска Зенита в РФ - для своего Морского старта и перспективного проекта сверхтяжелого носителя для лунной программы (действительно, первая ступень Зенита - единственный доступный для тогдашних финансово-технологических возможностей РФ разгонный блок). Сделать это тогда казалось несложным - чертежи Зенита перед развалом СССР ушли в Москву, и для производства на мощностях Прогресса казалось достаточно закупки некоторого станочного оборудования.
Хруничевцы стали писать, что баки Зенита слишком перетяжелены: в Зените используются алюминиевые плиты толщиной 32 мм - а в Протоне с примерно такими же параметрами вафельной ячейки и нагрузками, но из закаленного алюминиевого сплава толщиной 25 миллиметров. То есть зенитовская конструкция стенки объективно примерно на 25% тяжелее, что дало повод для кучи ерничаний по поводу умений южмашевских конструкторов в жежешке даже у солидных прочнистов.
Однако перетяжеление имеет причину, о которой забывают многие "знатоки" космической техники: первая ступень Зенита разрабатывалась не только как основа самостоятельной ракеты, но и как разгонная ступень для системы Энергия-Буран, и для этой ступени по аналогии с Шаттлом планировалась многоразовость - ракета опускалась на парашюте на землю, а не на воду, поэтому корпус пришлось усилить. По правде говоря, тогда это усиление не очень помогло, и только одна из трех осмотренных ступеней получила сравнительно небольшие повреждения - парашют все-таки не слишком мягкая система посадки, а какие-то амортизаторы отсутствовали принципиально, ракета просто ронялась набок с небольшой скоростью.

И, что ужасно, за все прошедшие после этого десятки пусков это перетяжеление не было устранено конструкторами и технологами КБ Южного... Эти люди, привыкшие к десяткам испытательных пусков каждой модели ракеты, не хотели рисковать своей шкурой для экспериментов. Тем более, что никто для этого не давал финансирования, а с Протоном по нагрузке Зенит с экватора был достаточно конкурентоспособен; на уровне проектов все больше решали экономика, кредитование, связи, чем чисто конструкторские навыки. Попытаться, как Маск, облегчить конструкцию, отказаться от третьей ступени и удешевить ракету, переманить на себя коммерческие заказы - это все было слишком сложно для людей советской выучки, привыкших быть винтиками и исполнять только свою работу.

Еще более ярко разница в менталитете ракетостроительных школ проявляется в используемой двигательной установке Зенита и Фолкона.
На Зените стоит РД-170 - сложный двигатель т.н. замкнутой схемы с высокой экономичностью (выражаемой удельным импульсом) и высокой тягой (минимизирующей гравитационные потери на удержание себя в воздухе), венец советского двигателестроения. А на Фолконе - батараея из 9 менее экономичных, маломощных и нехитрых двигателей Мерлин открытого цикла (с выбросом крутивших насос газов не через общее высокоэффективное сопло, а через отдельный патрубок), казалось бы, ничем, кроме малого веса, не отличающийся от своих американских собратьев периода 70-х. Поэтому в постсоветской, особенно пропагандистской литературе двигатель РД-170 считается более лучшим, чем Мерлин. Это правда - но не вся.

Более тяговитый двигатель не только снижает гравитационные потери, но и приводит к росту перегрузок, действующих на ракету - а, значит, и весу ее конструкции. Кроме того, РД-170 сам весит немало - 40% сухого веса первой ступени Зенита, 10 тонн против 5 тонн батареи Мерлинов (системой управления вектором тяги оснащен только 1 из 9, что неплохо облегчает батарею). В совокупности это компенсирует 5%-ное превосходство РД-170 по экономичности, и Мерлин оказывается, как минимум, не уступающим РД-171 (конкретно на Зените). Но, судя по статьям, юным и не очень экспертам непонятно, что в космос летают не стенды, а ракеты.
Еще сильнее превосходство американского двигателя и конструкции, если мы попробуем спасти первую ступень - т.е. затормозить со скорости в двп с гаком километра в секунду. Легкость батареи Мерлинов и конструкции бака позволяет не только взять пару тонн амортизаторов, но и ценой 30%-ного снижения полезной нагрузки затормозить первую ступень. Для Зенита с РД-171 такая попытка обернется, минимум, четырехкратным снижением полезной нагрузки. И можно точно сказать, что такие планы по постройке спасаемого американского варианта Зенита существовали еще задолго до разработки первого Мерлина.

С финансовой точки зрения батарея Мерлинов может быть немного выгоднее - примерно на 2-3 миллиона (10-14 млн.). Кроме того, Мерлины удобнее при создании двигательных установок для малых ракет - семейство РД-170 не настолько гибкое в подборе тяги. Это, кстати, позволило СпейсИкс не разрабатывать специальный двигатель для второй ступени - в его роли выступает все тот же Мерлин с заатмосферным соплом.

Высокое весовое совершенство Фолкона и легкость Мерлина позволили Маску создать двухступенчатый носитель, приближающийся по грузоподъемности к четырехступенчатому Протону, но значительно более простой и дешевый. Если учесть, что спутники также обладают собственной двигательной установкой для коррекции орбиты, и в случае Протона это тяжелая, но более дешевая химическая, а в случае Фолкона - более дорогая, но легкая электрореактивная, то можно сказать, что Маску удалось создать практически эквивалентную ракету, но в полтора раза дешевле - даже без учета многоразового использования.
Что забавно, эксперты российских пропагандистов из Роскосмоса,о которых Гугл первый раз слышит, даже сейчас керосиновых ракет не признают и считают, что Маск демпингует, чтобы насолить Россиюшке. Но якобы пройдет пара лет, пока этот выскочка будет разбираться с аварией своей ракеты, а тем временем от него уйдут заказчики и его афера лопнет, как сланцевый пузырь у Алексея Миллера. Эксперты даже не в курсе, что Маск не настолько богатый человек, чтобы дотировать чужих людей на сотни миллионов, а с катастрофой он разобрался несколько месяцев назад.

А теперь о грустном для Маска. Хоть он и сделал верный выбор ракеты, но ее доводка и особенно реализация многоразового варианта отнюдь не усыпана розами и демонстрировать непогрешимость - "мы делаем все для безопасности запусков" - не всегда возможно.
Взрыв на летающем стенде действительно был, и весьма впечатляющим - с образованием красивого тороидального вихря, что указывает на направленный подрыв. По заявлению Маска, причиной взрыва стал "нерасчехленный" датчик давления, из-за чего система управления неадекватно оценила обстановку и выдала сигнал на самоуничтожение - причина редкая, но на заре ракетостроения встречавшаяся. Что любопытно, по заявлению Маска, подрыв произошел путем манипуляции с клапанами (форсунками?) двигателя - видимо, был создан гидроудар в трубопроводах, повлекший детонацию топлива в камере и направленный подрыв ракеты. На "боевом" Фолконе стоят два таких датчика, а подрыв по правилам федерального агенства авиации осуществляется с помощью небольшого (емнип, до 5 фунтов) заряда взрывчатки. Кстати, если слушать взрыв Антареса, то можно услышать нечто похоже на его взрыв (третий, четвертый уже похож на эхо от земли).

Весьма непросто идет и отработка многоразового приземления на "боевых" фолконах. Для спасения ступени с посадкой на место старта нужно не просто затормозиться со скорости 2,2 км/с, но и разогнаться до сравнимых скоростей, чтобы за время падения успеть долететь до точки старта, а потом дать еще раз тормозной импульс... Очевидно, что затраты скорости на такой маневр очень велик. Поэтому Маск пошел на строительство нового космодрома в Техасе, у мексиканской границы - чтобы фолконы после торможения не летели обратно, а приземлялись во Флориде.
А пока космодрома нет, приходится сажать фолконы в океан в тысяче километров от берега. На картинках телекамер это происходит более-менее неплохо - проблема в том, что Маску нужна готовая ступень, а легкий алюминиевый корпус ракеты не выдерживает удара о воду (или волнения на морской поверхности - пока не ясно). В результате все приземлившиеся ракеты получили обширные пробоины и затонули - СпейсИкс пришлось заниматься и подводной археологией :-)
Теперь Маск в декабре собирается сажать Фолкон на приличных размеров баржу, собираемую в Луизиане. Получится ли очередной трюк космической акробатики - ведь океан неспокойный, а баржа небольшая и малоподвижная - неизвестно. По крайней мере, бессылочные утверждения экспертов-русскоязычников о том, что якобы в этот раз фолконы будут приземляться с помощью парашютов, вызывают у меня беспокойство - зениты уже триземлялись.

Еще одна проблема у Маска - хронический срыв графика пусков. На 2014 год у него были запланировано аж 14 пусков, но до конца года будет выполнено только 7, не считая затяжек с уже сделанными. Конечно, не во всех отсрочках виноват Маск, очень часто спутникостроители затягивают с передачей груза. Да и в этом году - фактически, своем первом промышленных запусков - СпейсИкс столкнулся с задержками из-за штормов (у приэкваториальных космодромов это заметный недостаток), пожара на наблюдательном радаре ВВС США (обеспечивавшем контроль полета), сожранную мышами проводку на аналогичном радаре на острове Диего-Гарсия, задержки МКС в приемке кораблей из-за поломанного компьютера... Немало хлопот вызвал и осмотр НАСА построенных двигателей при расследовании взрыва стендового Фолкона в Техасе, также уже пришлось заменить один построенный корпус исправным. Кроме того, пару переносов стартов вызвало и внедрение Маском более легкого сравнительно с азотом гелия. Маск внедряет на своем заводе технологию 3D-печати (послойного спекания порошка) для производства небольших деталей вроде клапанов, и оказалось, что они, спроектированные по старой технологии, пропускают гелий. Относительно небольшая поломка - а из-за нее ракета не попала в стартовое окно (времени) и вынуждена дожидаться, пока появятся окна в полете других спутников и космического мусора, окно в графике работы старенькой и часто ремонтирующейся сети слежения ВВС/НАСА, а также полетов других ракет.

Кстати, очень занятная технология - 3D печать металлическими порошками.



Казалось бы, достаточно отработать конструкцию ракеты (а, оказывается, тоже "дышит" - меняются длины баков, появляется крепление для посадочных лап, облегчается силовой набор - это фантастика для летающей ракеты), и только потом вводить изменения для улучшения характеристик. Однако все прояснила сентябрьская видеозапись полета Фолкона со съемкой внутренностей топливного бака второй ступени. Оказывается, сейчас проходит тендер ВВС США на запуски, и тамошние друганы Локхида потребовали замера максимального остатка топлива при выводе спутника на геопереходную орбиту (чтобы не рисковать при запуске дорогих военных спутников - а Локхид летает недогруженным). Поэтому Маск старается улучшить и испытать ракету для прохождения квалификационных условий. Хотя если Маску не насыпят опилок в двигатель и он выиграет тендер в декабре, то будет ему много счастья и денежек на ракетную акробатику.
Выдержит ли СпейсИкс 20-30 пусков в год? Заводские мощности позволяют делать 40 корпусов первых ступеней в год, стенды двигателистов пропускают 50-60, основная задержка за пусковыми расчетами на космодроме, собирающих ракеты. Самый короткий промежуток между между пусками для текущей инфраструктуры составляет 3 недели (17 пусков/год), а этого недостаточно. Так что пернять заказы ВВС Маск сможет только благодаря второму космодрому - или интенсификации работы МИКов на них, что вряд ли достижимо.

Кроме того, есть у Маска и еще четвертая проблема, но пока малосущественная. Доколе он лично будет админить сайт СпейсИкс? Я еще понимаю, когда он своим детско-мультяшным языком редакторских правок пытается лучше описать происходящее с компанией, но сообщения об успешном пуске (и соответственные изменения в манифесте запусков), бывает, по две недели не появляются, а все время мониторить твиттер Маска невозможно. Пусть наймет какую-нибудь секретаршу из пиар-отдела для этого, миллионер он или нет, в конце концов?

Впрочем, на данные момент даже одноразовая версия Фолкона обеспечивает Маску лидерство.
Надолго ли масковская версия Зенита останется лучшей? Пожалуй, до массового внедрения криогенностойких композитов, первые образцы которых уже получили специалисты НАСА, да и то это будет лишь совершенствование конструкции. Производство ракет большего диаметра и грузоподъемности требует использования водного/морского транспорта и размещения заводов в прибрежной зоне, что не всегда возможно, а внедрение многоразового использования становится по географическим причинам затруднительно.
Внедрение метана на ракетах среднего размера класса Зенита экономически неоправданно - более лучшая энергетика при меньших, чем у водородных технологий, проблемах, компенсируется невысокой плотностью жидкого метана (и необходимостью удлинять баки, что утяжеляет конструкцию). Так что ближайшее десятилетие будет эпохой керосинового Фолкона из семейства Зенита.



часть 1
часть 2