Беда с мозгами (по следам одного «доклада»)

Наткнулся на статью «Что думают специалисты-ракетчики о возврате ступеней "Старшипа"?».  Прочитал и  ужаснулся.  Если конференция, описанная в статье,  не фейк, и  это действительно «специалисты-ракетчики», то у нас натурально катастрофа в космической отрасли. Я ни разу не специалист-ракетчик, и никогда не работал прочнистом. Но даже полученных в институте  знаний сопромата и строительной механики достаточно, чтобы понять, в какой позор мы скатились, если на таком высоком уровне – целая научная конференция! – люди, называющие себя  ведущими специалистами  ракетно-космической отрасли,   в открытую являют миру своё  невежество.  Мне просто не верится, что такое может быть - что это позорище  произошло в реальности…

Итак, по пунктам:

1.      «Где-то на самом верху гигантской металлической трубы высотой с 23-этажный дом, находятся 2 маленьких кронштейна».  

То есть, у авторов доклада есть сомнения, что два маленьких башмака способны  выдержать  «аж»  200 тонн. Ах и ах!  Для начала замечу, что в ракетостроении  и авиации 200 тонн это никакая не запредельная цифра. Это совершенно рядовая нагрузка. Например, стыковочный болт крепления киля к фюзеляжу Ан-26 (взл. масса 25 тонн) рассчитан на эксплуатационную  нагрузку в 40 тонн при том, что разрушающая нагрузка в 3 раза выше - 120 тонн. И это всего один стальной болт диаметром 36 мм. А их там много больше.

Башмак Старшипа диаметром целых 17 см имеет площадь опоры 225 см². Это значит, что вся 200-тонная конструкция опирается на суммарную площадь контакта 450 см² . Много это или мало? Для сравнения, пятно контакта колеса ж/д вагона с рельсом  составляет всего 2 см². Это значит, что четыре ж/д цистерны общей массой в те же 200 тонн опираются на суммарную площадь соприкосновения колес и рельсов, равную всего 64 см² – в  7 раз меньше!  Полагаю, дальше уже можно не  разъяснять. 

Напряжения в месте контакта каждого из 2-х башмаков составляют примерно 4,5 кГ/мм²  (450 кГ/см²).  Это ни о чём. Это прочность дерева. Если между  поверхностью башмаков и опорой фермы положить  доску из дуба или берёзы, то её бы не раздавило.

А прочность титанового сплава, из которого сделан башмак,  как минимум в 20 раз выше - порядка 100 кГ/ мм² (10 тонн/см²). Два таких башмака  выдержат нагрузку в 4500 тонн, а это почти весь взлётный вес Старшипа, хотя при старте он опирается в основном на нижний силовой пояс.  Вопрос закрыт?

2.      Пример с «прогнувшимся шпангоутом» просто повергает в уныние… 

Чтобы назвать человека, который привел визуализацию  расчета шпангоута, прочнистом или, хотя бы, разбирающимся в сопромате, надо либо ничего не знать о сопромате, или страшно хотеть, чтоб у американцев «на самом деле ничего не получилось» - настолько, что б из мозгов вышибло не только  все знания, но и элементарную логику, не говоря уже о критичности восприятия. Ну, примерно, как хохлы в начале СВО были «уверены», что русские пошли войной на Украину, чтобы  воровать унитазы. Зависть – жуткая вещь. Страшные вещи она творит с мозгами. Не зря в Евангелии этому виду зависимости уделено сразу две притчи.

Если коротко, сей «прочнист» допустил «маленькое упрощение». Он, как бы это сказать по-мягче, «не заметил», что имеет дело с оболочечной конструкцией, и «забыл» про обшивку, которая не просто  участвует в восприятии и передаче нагрузок, а является главным элементом прочности и жесткости оболочечной конструкции. А это полностью, радикально и кардинально меняет картину нагружения.  

Кроме того, «специалист» не знает, что шпангоуты не предназначены для выдерживания нагрузки. Их задача передавать нагрузку – с какого-то узла на обшивку или наоборот.

Он так же не догадывается, что шпангоуты в плане прочности не предназначены для работы в направлении, ортогональном  их плоскости.

И ко всему ещё сей товрищЪ вместо нормального шпангоута – со стенкой и поясом -  взял фактически ленту и свернул её в кольцо.  О какой жесткости тут можно говорить?

Короче, всё, что можно было сделать не так, этот ТБМ-специалист сумел собрать в кучу. А потом нагрузил кольцевую ленту, названную им «шпангоутом», распределенной нагрузкой около 7 тонн на погонный метр её длины (~ 30 м). Естественно, такой «шпангоут»  ожидаемо прогнулся, ибо воспринял ВСЮ нагрузку САМ, своей деформацией, никуда её дальше не передавая. 

Простой мысленный пример. Приварим к металлическому обручу с двух сторон два прочных кронштейна, и вцементируем их в простенок.  Потом попробуем встать двумя ногами на этот обруч. Он ожидаемо согнётся, поскольку не обладает жесткостью. А теперь все то же самое, но снизу к обручу приварим металлическую бочку, которая будет висеть на нём, и снова на него встанем. Обруч уже не согнётся - обшивка бочки придаст конструкции требуемую жёсткость. 

Так что, провисание «шпангоута» (теперь только в кавычках) у "автора прочностной модели" вполне ожидаемо, поскольку в примере горе-прочниста ему некуда передавать нагрузку, и нет никаких элементов, чтобы позволить её выдержать.  В реальности же нагрузка передается на пояс шпангоута с  обшивки. Именно обшивка в конечном счете сопротивляется всем нагрузкам. Шпангоуты нужны лишь для поддержания её  устойчивости и для равномерной передачи нагрузок  на обшивку от локальных силовых воздействий – навески двигателей, мест крепления баков, тех же башмаков,  и пр.

Но в действительности обшивка много прочнее тех напряжений, которые возникают в ней от висения пустой конструкции на башмаках. Во время старта на неё сверху давит 120 тонный «Старшип», умноженный на разгонное ускорение,  а снизу - двигатели, разгоняющие всю эту космическую систему тягой в 7500 тонн. И при этом разгонный блок не сминается, как пивная банка, а вполне себе "держит форму". На этом фоне 200 тонн пустой ступени, а это всего 4% взлетной массы, выглядят не «нагрузкой», а погрешностью вычислений.

3.      Кульбит в космосе.

Смыслом данной «фигуры высшего пилотажа» является изменение вектора скорости возвращаемой ступени, которое так же требует энергетических затрат. Надо же погасить кинетическую энергию ступени, и затем разогнать её в противоположном направлении.  Эта задача решена просто,  эффективно и изящно.  Сначала относительно небольшими  затратами топлива производится изменение вектора скорости с поступательно-вертикального направления на вертикальное. После чего двигатели выключаются. Это позволяет решить сразу две задачи: приводит к естественному замедлению скорости из-за гравитации (без затрат топлива), с одновременным донабором высоты почти до 100 км, что увеличивает дальность последующего «планирования». Пока происходит замедление, разгонный блок разворачивают на 180, и придают ему ускорение в обратном направлении, чтобы сообщить  начальную горизонтальную скорость  для возврата на место старта. В итоге, к моменту достижения наивысшей точки траектории, возвращаемая ступень уже имеет требуемую горизонтальную составляющую скорости.

По мере ускорения (в падении) и возникновении  аэродинамической эффективности рулей, разгонному блоку придают наклонное положение, которого хватает для поддержания горизонтальной составляющей скорости, достаточной, чтобы со 100 км высоты переместиться на 100 км в горизонте. Для такого манёвра хватит аэродинамического качества, равного 1 (единице). Возвращаемая «труба» вполне может им обладать.

Для сравнения, «кукурузник» Ан-2 имеет относительно низкое для самолета аэродинамическое качество – 10. Если откажет двигатель, то с высоты 500 м его хватает, чтобы успеть пролететь всего 5 км. В этом плане Ан-2 очень опасный самолет – можно элементарно не успеть подобрать посадочную площадку (что, как правило, и происходило в подобных случаях).

Таким образом, возврат ступени на место старта не представляется чем-то фантастичным – небольшая требуемая дальность возврата (относительно высоты) позволяет сделать всё в пределах элементарных законов механики и аэродинамики.

4. «Фантастическая» точность приземления.

«Фантастическая» точность приземления складывается из «фантастической» точности и скорости определения координат, и не менее «фантастической» точности и скорости управления вектором тяги и положением  возвращаемой ступени (тангаж-крен-рысканье).

У меня на даче стоит геодезический знак, поставленный с точностью до одного сантиметра (по словам геодезиста). Такой точности позиционирования за глаза хватает для задачи посадки Старшипа.

На  «фантастической» точности и быстродействии управления  следует остановиться подробнее. Но если коротко, то время статически устойчивых систем кануло в лету. Стрела, летящая тяжелым наконечником вперёд, и с легким оперением сзади – это классический случай устойчивого летательного аппарата. Нахождение центра масс впереди аэродинамического фокуса, всегда вытягивает стрелу вдоль вектора скорости.

Классические самолеты – устойчивые системы. У них всё то же самое, что и у стрелы – центр масс впереди центра приложения подъёмной силы. Из-за этого самолет имеет тенденцию перейти в отвесное пикирование. Не дает это сделать горизонтальное оперение – созданием отрицательной подъемной силы оно компенсирует пикирующий момент от крыла кабрирующим моментом от руля высоты – значительно меньшей силой, но на существенно большем плече. Из-за такого способа реализации устойчивости аэродинамическое качество самолета снижается – горизонтальное оперение снижает общую подъемную силу и создает дополнительное сопротивление. А называется всё это -  потери на балансировку.  При этом, чем устойчивее самолет, тем сложнее его вывести из устойчивого положения, и тем хуже его маневренность.

Для пассажирских и транспортных самолетов это нормально. Но для истребителей – губительно. Истребители всегда старались делать с минимально-возможной устойчивостью, чтобы противник не имел  преимущества в воздушном бою.  Сначала минимальный запас устойчивости определялся способностью пилота средней квалификации управлять самолетом так, чтобы это не отвлекало от выполнения боевой задачи. После появления пилотажной  автоматики  тут же возникло требование к её быстродействию. Именно быстродействие автоматики задавало предел  допустимой неустойчивости самолета.

На экспериментальном самолете Х-29 (самолет с крылом обратной стреловидности и 45% неустойчивостью, середина 80-х) американцы реализовали сразу два преимущества – маневрирование без аэродинамических потерь, и сохранение управления на любых режимах без сваливания. Летать на таком самолете «вручную» нельзя было в принципе – человеку не хватает ни чувствительности, ни реакции.  В дальнейшем для  подобных летательных аппаратов  стали использовать термин  «искусственная устойчивость».

 Замечу, что многие современные лётчики, летающие на «боингах» и «арбузах», искренне считают посадку в «ручном режиме» ручной в реальности. Но это не так. Это ручное управление с автокоррекцией. Данный режим («normal mode»)  на самом деле является не ручным, а командным. Система управления самолетом распознает управление  органами управления как команды, и эти команды исполняет. Но исполняет ограниченно во избежание  опасных режимов полета, о чём пилот может даже не догадываться. 

Чтобы вы поняли разницу между таким режимом и действительно ручным управлением, напомню о катастрофе Суперджета в Шереметьево. Там использовался режим «Direct mode» - когда компьютер полностью исключается из контура управления, а цифровая ЭДСУ имитирует аналоговое управление.  Если у пилота не окажется достаточных навыков ручного управления, ситуация может закончиться плохо. Это, кстати, в копилку того, что профессия пилота так же подпадает под вымирание.  А некоторые из нас, наверняка, ещё застали лифтерш в лифтах…

Почему я так подробно остановился на системах с искусственной устойчивостью? Да потому, что со времён Х-29 прошло уже четыре десятка лет! Тогда им управляли три аналоговых компьютера. Системы управления за это время претерпели несколько революций. Ручное управление напрочь исчезло из практики. Быстродействующая «цифра» вытеснила из управления  «глаза» и «руки». Если вы думаете, что сами управляете FPV-дроном, вы ошибаетесь. Вы лишь даете команды, что делать. А система управления дроном сама исполняет команду, попутно -  перманентно и так же самостоятельно -  решая задачу обеспечения его устойчивости.

И представьте, если столь эффективные решения автоматического управления уже проникли в ширпотреб, то каковы должны быть  возможности  этих же систем в современных авиационно-космических изделиях?  Если в ширпотребе точность позиционирования измеряется уже сантиметрами, то в серьёзных изделиях вполне достижимы уже и миллиметры. Не удивлюсь, если в системе посадки «старшипа» окажется задействована локальная навигационная система-наземный аналог GPS, работающая с более высокой скоростью обновления данных и миллиметровой точностью позиционирования. Нам со стороны кажется, что гигантский Старшип нереально быстро и уверенно садится на башмаки. А с точки зрения системы управления, он делает это в 100 или даже в 1000 раз медленнее, чем позволяет система.

......

В заключении несколько перлов от из «доклада»:

- Кронштейн должен с размаху попасть на узкую линейку рычага Мегазиллы.

"Специалист-ракетчик", видимо, очень узкий специалист, и настолько погружен в свою тему, что не подозревает о существовании вертолетов и самолетов с вертикальным взлётом и посадкой, которые как-то умудряются садиться плавно, «без размахов».

- Чтобы вы поняли, на сколько массивна 1-я ступень высотой 63 метра, приведём несколько фотографий..

«Специалист» пытается внушить читателю, что 4% от стартовой массы Старшипа это какая-то немыслимо чудовищная величина. Похоже,  для стартовой массы в 25 раз большей, ещё не придумали аналогичного  эпитета. Пора объявлять конкурс...

- Чтобы представить, что такое 200 тонн, приведу одну картинку:

ТоварищЪ для вящей убедительности приводит фото МКС с пристыкованным к ней Шаттлом. Впечатляет!... Но проще  привести пример с 4-мя ж/д цистернами – те же 200 тонн, только  без эмоций…

- На раскадровке видно, что ступень массой около 200 тонн, практически без возмущений перемещается в горизонтальном направлении, оставаясь практически на одной высоте.

Товарищ, видимо, из особо засекреченного бункера пишет, давно не был на поверхности, и о многом не подозревает, многое ему в диковинку. Жалко беднягу, даже не догадывается, что задача удержать палку вертикально на кончике пальца уже давно и успешно решена автоматикой…

Но особенно умилило:

- При статической нагрузке 50 тонн сил в зоне концентрации напряжений, действующие напряжения превышают предел текучести титана на 46 МПа. Кронштейны получают пластическую деформацию и повторно не применимы.

У этого «теоретика-экспериментатора» в его нарисованном башмаке имеется прямой угол вместо радиуса, и там компьютерная программа чрезмерные напряжения честно выделила красным цветом. Доложу я вам, что резкими переходами можно и в ненагруженной детали создать концентрацию напряжений сверх всякой меры. Видимо, «обличитель» далёк от знаний, что  не допущение концентраторов напряжений - одно из базовых требований проектирования, как помыть руки после туалета.

Если кто не понял, что за «специалист» писал всю ту хрень, представьте, что о геометрии вам рассказывает «лектор», не подозревающий о существовании аксиоматики Евклида и теоремы Пифагора. Это будет полный аналог. В противном случае "специалист-ракетчик" просто считает всех идиотами...

Что думают специалисты-ракетчики о возврате ступеней "Старшипа"? (shepgot)

Я приведу часть доклада, сделанного на научно-технической конференции в июне 2025 года в филиале Военной академии Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого. Доклад назывался "Особенности посадки SUPER HEAVY" (краткий обзор).