Многоразовые космические корабли доклад

Обновлено: 04.07.2024

Эту статью могут комментировать только участники сообщества.
Вы можете вступить в сообщество одним кликом по кнопке справа.

Первое крылатое поколение: фальстарт

Как известно, первые корабли, выведшие человека в космос, имели спускаемые аппараты в виде капсул – одноразовых, с очень малым аэродинамическим качеством, с испаряющейся термозащитой, с парашютной посадкой. Они используются, впрочем, до сих пор. Спуск людей с орбиты в таких аппаратах напоминает не столько триумфальное возвращение домой героев-покорителей космоса, сколько сброс продовольствия рыбакам, терпящим бедствие на отколовшейся льдине.

Но первые конструкторы космической техники первоначально представляли себе это далеко не так. В проектах Вернера фон Брауна конца 1940-х – начала 1950-х годов две ступени ракеты-носителя разгоняли третью – крылатую. Сергей Королев еще в 1957 году считал парашютную посадку бесперспективной, а правильной – планирующую, с использованием аэродинамической подъемной силы.

Тем не менее, логика соревнования сверхдержав диктовала свое: первым необходимым условием была надежность, вторым – сроки. И пришлось выбирать парашютные капсулы.

На этом этапе американцы продвинулись значительно дальше.

Многоразовые фантазии 1960-х

Но давайте лучше перейдем тоже к фантазиям, но уже с горизонтальным стартом.

В НАСА, в Центре имени Дж. Маршалла, прорабатывали двухступенчатую схему для доставки на орбитальную станцию грузов и экипажей в количестве 12–14 человек. Система состояла из двух похожих, но разновеликих самолетов с треугольным крылом. Орбитальная ступень снабжалась лишь ракетным двигателем и садилась, планируя; разгонщик мог дополнительно иметь воздушно-реактивные двигатели.

Был изготовлен и в первой половине 1970-х годов испытывался прототип орбитальной ступени первого этапа – дозвуковой. Назывался он ЭПОС – экспериментальный пилотируемый орбитальный самолет. Его поднимали на Ту-95 и отпускали в свободный полет; несколько взлетов он совершил самостоятельно, при помощи собственного ТРД.

Орбитальная ступень вместе со своими двигателями была многоразовой, топливный отсек – одноразовым. Первую ступень составляли два гигантских твердотопливных ускорителя (ТТУ), также многоразовых.

Однако такое решение тоже несло в себе массу трудностей. Кроме того, Валентин Петрович Глушко, возглавивший всю кооперацию, очень хотел сделать мощную ракету – он продолжал мечтать о Луне.

Не забывайте – это было 25 лет назад! Это сейчас публику не удивляют автоматические посадки беспилотников – хотя, честное слово, там есть чему удивляться. Тогда же этого не делал никто. Кроме нас.

Многоразовость в ходе эксплуатации существенно снизилась. Хотя, надо сказать, кратность применения ТТУ с самого начала была принята не 100 пусков, как у орбитальной ступени, а всего 20. А вот кратность использования ЖРД орбитера с первоначальных 55 раз была снижена до 20, а потом и до 10.

Проектировщики системы закладывали 514 полетов пяти орбитеров в течение 10 лет. Эксплуатация шаттлов продолжалась втрое дольше – 30 лет; но полетов состоялось втрое меньше – 135. Все они вместе доставили на орбиту 1600 тонн грузов – вспомним 1770 тонн в год, на которые они в принципе способны. Кстати, вот и средняя величина нагрузки: 1600 тонн за 135 полетов – это в среднем около 12 тонн за раз – меньше половины полной грузоподъемности, равной, как мы помним, 29,5 тоннам.

Заглянем в будущее

Во-первых, это физически невозможно. Кооперацию, включавшую более миллиона человек, более 1200 предприятий едва ли не во всех республиках СССР, – эту кооперацию восстановить невозможно.

В-третьих, остается отнюдь не пустяковая проблема востребованности. Рогозин сказал: необходимо вернуться. А зачем – не сказал. Какие он видит задачи для космической системы с годовой производительностью около 2000 тонн на орбите? Вкладывать триллионы, не зная, зачем это нужно?

Такой анализ, конечно, проводился, и не один, не одной группой специалистов. Для сегодняшнего технического уровня, при той интенсивности орбитальной деятельности, которую можно ожидать в ближайшие пару десятилетий, получается примерно вот что.

Для доставки экипажей на станции, отдельных непродолжительных экспериментов в космосе нужны маленькие, в высшей степени надежные МНОГОРАЗОВЫЕ корабли.

Для текущего снабжения станций, выведения обычных спутников связи, навигации и т. п. на сегодня все еще эффективны ОДНОРАЗОВЫЕ ракеты-носители среднего класса.

Таким, сочетающим одноразовые, многоразовые и частично многоразовые аппараты, может стать новое поколение техники для работы в ближнем космосе.

Но, похоже, сейчас это именно то, что нужно.

А то и вообще частники.

В том, что, когда, например, США реализовали свою великую лунную программу, частные компании-гиганты получали через НАСА заказ от государства и от него же – бюджет. Все с самого начала и до конца оплачивалось государством.

В обеих странах проектируют и другие аппараты. На данный момент самым заметным примером проектов такого типа является частично многоразовый Falcon 9 от компании SpaceX с возвращаемой первой ступенью.

Сегодня поговорим о том, зачем подобные проекты разрабатывали, как они показали себя с точки зрения эффективности и какие перспективы у этого направления космонавтики.

Правительству предложили несколько проектов, но каждый из них стоил не менее пяти миллиардов долларов США, так что Ричард Никсон отверг их. Планы у НАСА были крайне амбициозные: проект подразумевал работу орбитальной станции, на которую, и с которой, челноки постоянно возили бы полезные грузы. Также челноки должны были запускать и возвращать спутники с орбиты, обслуживать и ремонтировать спутники на орбите, проводить пилотируемые миссии.

Финальные требования к кораблю выглядели так:

Грузовой отсек 4,5х18,2 метра
Возможность горизонтального маневра на 2000 км (маневр самолета в горизонтальной плоскости)
Грузоподъёмность 30 тонн на низкую околоземную орбиту, 18 тонн на полярную орбиту

Для запуска в космос шаттлы использовали два твердотопливных ракетных ускорителя и три собственных маршевых двигателя. Твердотопливные ракетные ускорители отделялись на высоте 45 километров, затем приводнялись в океан, ремонтировались и использовались повторно. Главные двигатели используют жидкий водород и кислород в подвесном топливном баке, который отбрасывался на высоте 113 километров, после чего частично сгорал в атмосфере.

Во время посадки произошло происшествие, которое показало, насколько умной получилась автоматическая система. На высоте 11 километров корабль совершил резкий манёвр и описал петлю с разворотом на 180 градусов — то есть сел, зайдя с другого конца посадочной полосы. Это решение автоматика приняла после получения данных о штормовом ветре, чтобы зайти по наиболее выгодной траектории.

К истории вы могли прикоснуться в 2011 году. Более того, тогда от этой истории люди даже куски обшивки и теплозащитного покрытия могли оторвать. В том году корабль доставили из Химок в Жуковский, чтобы реставрировать и представить на МАКСе через пару лет.

Аппарат совершил три полёта максимальной продолжительностью 674 суток. В данный момент он совершает четвёртый полёт, дата запуска — 20 мая 2015 года.

Орбитальный самолёт X-20 был способен после выхода на суборбитальную траекторию нырнуть в атмосферу до высоты 40-60 километров с целью сделать фото или сбросить бомбу, после чего вернуться в космос на подъёмной силе от крыльев.

Проект закрыли в 1963 году в пользу гражданской программы Gemini и военного проекта орбитальной станции MOL.

Ракеты-носители Titan для вывода X-20 на орбиту

Макет X-20

БОР-4

Грузовая версия корабля по планам конструкторов сможет доставлять на Международную космическую станцию до 5,5 тонн, а возвращать до 1,75 тонны.

Летательный аппарат HL-20

Одним из самых заметных в СМИ на данный момент многоразовых проектов являются разработки SpaceX — транспортный корабль Dragon V2 и ракета-носитель Falcon 9.

Falcon 9 является частично возвращаемым аппаратом. Ракета-носитель состоит из двух ступеней, первая из которых имеет систему для возврата и вертикального приземления на посадочную площадку. Последний запуск не был удачным — 1 сентября 2016 года произошла авария.

Многоразовый пилотируемый корабль Dragon V2 сейчас готовят к тестированию на безопасность для астронавтов. В 2017 году планируют провести беспилотный запуск аппарата на ракете Falcon 9.

Многоразовый пилотируемый корабль Dragon V2

В рамках подготовки к полёту экспедиции на Марс в США разработали многоразовый космический корабль Orion. Сборку корабля завершили в 2014 году. Первый беспилотный полёт аппарата состоялся 5 декабря 2014 года и прошёл успешно. Теперь НАСА готовится к дальнейшим пускам, в том числе с экипажем.

Авиация, как правило, подразумевает многоразовое использование летательных аппаратов. Таким же свойством в будущем должны будут обладать и космические аппараты, но для этого предстоит решить ряд проблем, включая экономические. Каждый запуск многоразового корабля должен выходить дешевле, чем строительство одноразового. Необходимо использовать такие материалы и технологии, которые позволят повторно запускать аппараты после минимального ремонта, а в идеале — вообще без ремонта. Возможно, космические корабли в будущем станут обладать одновременно как характеристиками ракеты, так и самолёта.

«Многоразовые космические корабли

Работу выполнила: Базыкина Кристина

Студентка 1 курса

Группа МОЦИКИ 17-01

1. Предыстория многоразовых кораблей.

2. Многоразовые космические корабли нового поколения. Проект “ Hermes ”.

3. Перспективы развития многоразовых космических систем.

4. Список используемой литературы.

1.Предыстория многоразовых кораблей:

2. Многоразовые космические корабли нового поколения:

Задолго до появления ISS (Международной Космической Станции) в Европе начались работы по перспективным направлениям в ракетно-космической технике. В частности, предполагалось построить корабль многоразового использования, способный заменить космические корабли обычного типа.

Впервые о решении создать собственную пилотируемую орбитальную систему было объявлено в 1976 году. Инициатором выступил Французский Национальный Центр Космических Исследований (CNES), который в сотрудничестве с фирмами "Аэроспасьяль" и "Дасо-Авиасьон" предложил проект под названием “Hermes”(Гермес). (См. приложение № 4). Однако почти 10 лет этот проект находился только на стадии обсуждения и предварительных эскизов.

Видимо под воздействием успехов американских “шаттлов” в 1985 году на конференции Европейского Космического Агентства (ESA) в Риме французские представители заявили о намерении воплотить эту программу в жизнь. После серии переговоров с остальными участниками ESA в 1987 году было достигнуто соглашение о долевом участие нескольких стран, что делало “Hermes” уже общеевропейским проектом.

Многоразовый космический корабль “Hermes” представляет собой орбитальный самолет (ОС) с низкорасположенным крылом большой стреловидности в плане, выполненный по аэродинамической схеме “бесхвостка”. Как и у других существующих собой воздушно-космических самолетов, крыло имеет тупую лобовую кромку с большим радиусом закругления и оснащено односекционными элевонами.

Законцовки крыла плавно переходят в концевые шайбы, являющиеся по сути разнесенным двухкилевым оперением, оснащенным рулями направления. В задней части фюзеляжа установлен ставший уже традиционным для подобных систем балансировочный щиток.

Теплозащита, обеспечивающая непревышениемаксимальных рабочих температур планера свыше 175ºС, использует апробированные теплоизоляционные материалы нескольких типов, расположенные на корпусе в соответствии с максимальными рабочими температурами поверхности. В зонах наибольшего нагрева (более 1400ºС) предполагалось использование углеродных композиционных материалов на основе углеродной матрицы, в других местах – теплозащитные плитки на основе карбида кремния (SiC) и гибкие теплозащитные покрытия.

В первой половине 90-х годов реализация проекта ВКС "Hermes" привела к практической "развязке" проекта: с одной стороны, конструкторам ВКС "Hermes" не удалось уложиться в жесткие весовые лимиты, с другой - в процессе проектирования РН "Ариан-5" ввиду технических проблем расчетная масса выводимой полезной нагрузки постоянно уменьшалась и в конечном итоге стала ниже допустимой для вывода ВКС. Возникла настоятельная необходимость полной "перевязки" проекта ВКС "Hermes", что требовало серьезных дополнительных финансов. Их не нашлось, и таким образом, вся разработка ВКС "Hermes" была закрыта в середине 90-х годов.

Многоразовая космическая система — это космическая система многократного использования. Такая система может использовать совершенно различные средства выведения: одноразовые, многоразовые, одноступенчатые, многоступенчатые, самостоятельные либо объединенные конструктивно с орбитальными средствами – ракетами-носителями и другими.

Отдельные технические средства космического комплекса и отдельные элементы конструкции ракеты-носителя (ракетные блоки, ракетные двигатели) также могут быть спасаемыми и многократно использоваться.

Космический аппарат многоразового применения – это космический аппарат, использующийся более, чем один раз. Отличием от космического аппарата одноразового применения является возможность периодического восстановления ресурса систем и расходных материалов.

Цель данного реферата: ознакомиться с многоразовыми космическими системами как отечественного, так и зарубежного производства.

Задачи данного реферата:

1. Ознакомиться с историей создания многоразовых космических аппаратов;

2. Рассмотреть принцип действия многоразовых космических аппаратов;

3. Изучить основные космические аппараты многоразового действия.

История создания многоразовых космических систем

Рис.1. Схема ракетоплана конструкции Ойгена Зингера, 1929 г.

Выяснилось, что сделать капсульный корабль многоразовым на уровне технического развития тех лет практически невозможно. Дело в том, что баллистическая капсула входит в атмосферу на высокой скорости, поэтому поверхность такого космического корабля может нагреваться до 2 500—3 000 градусов. К слову, космический самолёт, который при спуске с орбиты выдерживает гораздо меньшие температуры (до 1600 градусов по Цельсию) и обладает высоким аэродинамическим качеством. Однако в 1950—1960-е годы необходимые для теплозащиты материалы ещё не были созданы. Однако грузоподъемность тогдашних ракет-носителей была ограниченна.

Но всё-таки идея использования многоразовых ракетно-космических аппаратов оказалась живучей. В конце 1960-х годов были накоплены знания в области новых конструкционных и теплозащитных материалов и гиперзвуковой аэродинамики. И уже в 1969 году NASA заключает первые контракты с США на исследование многоразовой транспортной космической системы Space Shuttle. По ожиданиям NASA, стоимость выведения на орбиту грузов не превысит 1 000 долларов за килограмм. К тому же, космический челнок должен был уметь возвращать на Землю и полезные грузы, что является более сложной задачей.

Отечественные многоразовые космические системы

Буран

выведение на орбиту космических аппаратов, космонавтов и грузов, обслуживание и возвращение на Землю;
проведение экспериментов и военно-прикладных исследований;
решение целевых задач в интересах науки, народного хозяйства и обороны;
комплексное противодействие мероприятиям вероятного противника по расширению использования космического пространства в военных целях.

Технические характеристики:

Стартовая масса — 105 т,

Высота корабля, стоящего на шасси, — более 16 м,

Размах крыла — около 24 м,

Объём кабины - свыше 70 м3,

Масса полезного груза - до 30 тонн при взлёте и до 20 тонн при посадке.

В носовой отсек Бурана вставлена герметичная цельносварная кабина для экипажа (до 10 человек), для проведения работ на орбите и большей части аппаратуры, для обеспечения полёта в составе ракетно-космического комплекса, автономного полёта на орбите, спуска и посадки. Буран имеет треугольное крыло с двойной стреловидностью, а также аэродинамические органы управления, работающие после возвращения в плотные слои атмосферы и при посадке — руль направления, элевоны и аэродинамический щиток.

Две группы двигателей для маневрирования размещены в конце хвостового отсека и передней части корпуса. Выполняется манёвр возврата или выхода на одновитковую траекторию. Впервые в практике двигателестроения была создана объединённая двигательная установка, включающая топливные баки окислителя и горючего со средствами заправки, термостатирования, наддува, забора жидкости в невесомости, аппаратурой системы управления и так далее.

При разработке программного обеспечения (ПО) для наземных систем космического корабля использовались технология структурного проектирования программ с использованием языка ДИПОЛЬ, а для решения задач моделирования использовался язык ЛАКС. ПО БЦВМ и Операционная Система (ОС) были написаны на языках ПРОЛ2 (по мотивам языка ПРОЛОГ) и Assembler/370. В разработке ПО было широко использована концепция R-технологии (R-машина и R-язык), с использованием системы автоматизации программирования и отладки САПО. Применение компьютерных технологий, разработанных СССР, позволило в короткие сроки разработать программные комплексы объёмом около 100 Мб. В случае отказов ракетных блоков первой и второй ступеней ракеты-носителя система управления орбитального корабля обеспечивает его аварийное возвращение на землю в автоматическом режиме.

Читайте также: