Вход на сайт

МЕДИАМЕТРИКА

Облако тегов

Сны о большом глупом носителе.

Аватар пользователя krol_jumarevich

Помните байку о разработке космической ручки? Да, она не основана на реальных событиях, но очень наглядно иллюстрирует идею, что простое решение может оказаться лучше сложного. Ракета, построенная по принципу "большого глупого носителя" ("Big Dumb Booster") находится не в диапазоне "умный-глупый", а, скорее, "простой-сложный". Привычные нам ракеты-носители выросли из военных баллистических ракет, и при их проектировании эффективность была важнее стоимости. Но, если мы собираемся осваивать Космос, то нам нужно много ракет, и сложные бывшие военные ракеты становятся слишком дорогими. А что, если попробовать сделать ракету сравнительно простой, но экономически выгодной?
01

В предыдущих публикациях серии рассказывалось о других идеях облегчения доступа в космос:
Многоразовость. Ракета дорогая, топливо дешевое, давайте использовать ракету многократно. Если бы всё было так просто, то Спейс Шаттлы летали бы сейчас десятками и сотнями в год. Многоразовые системы очень зависят от затрат времени и денег на подготовку к повторному полёту, и здесь шаттлы проиграли экономическую конкуренцию одноразовым носителям. Сейчас многоразовостью занимается Элон Маск, но ему ещё долго двигаться в этом направлении - пока не было ни одного полёта повторно использованного Dragon или Falcon, не говоря уже о регулярном повторном использовании для того, чтобы можно было оценить экономическую эффективность.
Воздушный старт. Идея запускать ракету-носитель с летящего самолёта предлагалась во многих проектах. Однако, на сегодняшний день только РН легкого класса Pegasus использует эту схему. Из заметных разрабатываемых проектов - идёт строительство самолёта-носителя проекта Stratolaunch под более тяжелую ракету.
Single Stage To OrbitИдея многоразового космоплана, стартующего с аэродрома, выходящего в космос и возвращающегося обратно. Известен проект Skylon, но по нему в последнее время не было заметных новостей.
Безракетный космический запуск. Космический лифт, петля Лофстрома, космические фонтаны и прочее, и прочее. Пишут об этом часто, вот, например, свежий обзор, поэтому я не стал делать свой (или, думаете, стоит?), но воз и ныне там. Подобные технологии имеют три огромных недостатка:

  1. Почти для всех проектов требуются материалы и технологии, которые человечество ещё не умеет делать.
  2. Стоимость такого сооружения поистине космическая, и строиться оно будет долго.
  3. Проблемы с расчетом сроков окупаемости и невозможность эксплуатации частично готового сооружения для подтверждения концепции.

Первый монстр

02

В 1962 году инженер Aerojet Роберт Труакс предложил проект Sea Dragon. Двухступенчатая ракета-носитель должна была иметь высоту 150 м, диаметр 23 м и полную массу 18 000 тонн. Ракета собиралась в порту, затем её заправляли керосином - топливом первой ступени и азотом - газом наддува баков. Затем ракету должны были буксировать на плаву к месту старта. Корабль обеспечения (предлагалось использовать атомный авианосец) методом электролиза разлагал воду на водород и кислород.

Жидким водородом заполнялись баки топлива второй ступени, а кислородом - баки окислителя обеих ступеней. После заправки балластные танки первой ступени заполнялись водой, и ракета становилась в воде вертикально. Старт производился из частично погруженного положения, ожидалось, что Sea Dragon сможет выводить примерно 500 тонн на низкую околоземную орбиту. Простота конструкции должна была обеспечить стоимость выведения в диапазоне $60-600 за килограмм, в разы меньше существовавших тогда ракет.

03

Единственный двигатель первой ступени создавал тягу 36 000 тонн, но не представлял особой технической сложности - давление в камере сгорания не превышало 20 атмосфер, и топливо подавалось без сложных турбонасосов, давлением газа наддува (т.н. вытеснительная подача). Двигатель второй ступени имел тягу "всего" 6 350 тонн, а давление в камере сгорания всего 7 атмосфер. Для сравнения, давление в камерах сгорания современных ракетных двигателей достигает 255 атм (РД-191).

Корпус ракеты изготовлялся из легированной стали толщиной 7 мм и был не сложнее корпуса подводной лодки в производстве. Собственно говоря, ракета и должна была производиться на верфи. Проект был рассмотрен судостроительной компанией Todd Shipyards, которая посчитала его выполнимым. Экономические и инженерные расчеты были подтверждены компанией TRW, уже зашла речь о покупке участка побережья под космодром, но бюджет NASA начали сокращать. Из-за нехватки средств был закрыт весь отдел перспективных разработок, занимавшийся Sea Dragon и проектами пилотируемых полётов на Марс. А Aerojet не могла выделять средства на разработку такого циклопического проекта самостоятельно.

Почти взлетевший OTRAG
Лутц Кайзер мог быть известен уже более тридцати лет как первый частный ракетостроитель. Ученик Зенгера, Лутц основал компанию OTRAG ("Орбитальный транспорт и ракеты") и убедил Вернера фон Брауна и Курта Дебуса войти в команду после их выхода в отставку из NASA. Идея новой ракеты-носителя состояла в использовании простых блоков, которые должны были производиться массово и, поэтому, быть очень дешевыми.

04

Один CRPU (Common Rocket Propulsion Unit - "стандартный ракетный блок") представлял собой трубу длиной 16 м и диаметром 23 см. В блоке размещались баки топлива (керосин), окислителя (тетраоксид азота и азотная кислота в равных пропорциях), наддува (сжатый воздух). Баки разделялись плоскими переборками. Внизу был установлен простой двигатель с абляционной теплозащитой сопла и тягой 2,5 тонны, клапаны, батареи и электроника.

05

Особенностью конструкции ракеты была пакетная установка ступеней. Сначала работали блоки с наружной части пакета, затем внутренние. По расчетам, для вывода одной тонны на орбиту нужны были три ступени, из 4, 12 и 48 блоков. Пакетная компоновка приводила к тому, что ракета получалась относительно короткой и широкой, и, в теории, могла запускать большие и широкие спутники. Для запуска более тяжелых грузов надо было просто взять больше блоков.

С точки зрения привычного нам критерия соотношения полезной нагрузки и стартовой массы ракета получалась неэффективной - для того, чтобы вывести на орбиту 8 тонн (чуть больше современного "Союза") требовалась ракета начальной массой 800 тонн (в два с лишним раза тяжелее "Союза"). Для того, чтобы вывести 128 тонн, требовался монстр начальной массой 12 800 тонн (в четыре раза тяжелее "Сатурна V", выводившего примерно столько же). OTRAG должна была выиграть за счет экономической эффективности. Массовое производство конструктивно простых блоков, десятками тысяч в год, должно было сделать их очень дешевыми. 

06
Шесть двигателей на испытательном стенде

07
Автоматизированная линия производства CRPU

08
Рисунок старта сверхтяжелой версии OTRAG

В 1975 году компания OTRAG подписала контракт с Заиром о строительстве космодрома в провинции Катанга (сейчас территория Конго). С точки зрения физики всё было логично - космодром находился возле экватора, в удобном для космонавтики месте. Первые полёты испытательных четырехблоковых ракет начались в 1977 году.

09
Ракета на стартовой площадке.

10
Испытательный пуск. Не включился один двигатель.
 

Проблемы начались, когда в дело вмешалась политика. Во-первых, развитые страны опасались, что ракеты OTRAG будут использоваться для военных целей. Да, они были бы крайне неэффективны в такой роли, но слаборазвитым странам Африки любая ракета лучше, чем ничего. Во-вторых, развитые страны не хотели экономического конкурента своим ракетам-носителям. СССР, США и Франция совместно начали кампанию по дискредитации OTRAG в СМИ и стали оказывать политическое давление на Заир. В 1979 году OTRAG была вынуждена покинуть страну. Испытания в Западной Германии были крайне затруднены по политическим причинам, и в 1981 году компания построила испытательный полигон в ещё худшем месте - Ливии.

В 1982 году Западная Германия присоединилась к договору о нераспространении ракетных технологий, и перевозка произведенных в ФРГ блоков в Ливию стала невозможной. Несмотря на обещания, Муаммар Каддафи тут же конфисковал испытательный полигон, и ливийские инженеры попытались продолжить проект. К счастью (потому что это уже явно была программа разработки баллистических ракет, посмотрите на пусковую), ничего у них не вышло, и проект был остановлен окончательно. За время испытаний было проведено порядка шести тысяч испытаний на стенде и примерно полтора десятка суборбитальных полётов в одноступенчатой четырехблочной конфигурации. За 1975-1987 годы проект OTRAG обошелся примерно в $200 миллионов.

Большой глупый носитель сегодня
Лутц Кайзер жив и достаточно активно общается с частниками "новой волны" - Armadillo Aerospace Джона Кармака и другими. Компания Interorbital Systems разрабатывает ракету Neptune такой же компоновки:

11

А Armadillo Aerospace хотела сделать весьма похожую ракету Stig и использовать её как геофизическую, но произошла авария.

Из заметных проектов также стоит отметить HEAT-1X, в котором ещё упростили конструкцию, заменив ЖРД на гибридный двигатель на топливной паре жидкий кислород/полиуретан. К сожалению, HEAT-1X разбился в одном из испытаний, новая версия TM-65 Tordenskjold сгорела во время стендовых испытаний. Сейчас Copenhagen Suborbitals делают новую ракету.
В 2006 году проект Aquarius компании Space Systems/Loral участвовал в конкурсе COTS (доставка груза на МКС частной компанией), но проиграл. Особенностью проекта было использование топливной пары кислород/водород, что достаточно сложно для "простой" ракеты, и всего одна ступень для вывода на орбиту 1 тонны груза.

В России идею "большого глупого носителя" реализует проект РН "Таймыр" от компании "Лин Индастриал". Низконапряженные двигатели, некриогенные компоненты топлива, модульная пакетная компоновка - всё это должно максимально снизить стоимость пуска. Более тяжелые "Адлер" и "Алдан" используют двигатель первой ступени "Союза" РД-108 и рулевые камеры от него, подозреваю, по тем же причинам - двигатель уже есть и давно производится серийно.
Любопытно, но иногда к концепции BDB относят российские ракеты-носители в целом. Например, РН "Союз" использует двигатели, которые не находятся на пределе возможностей современной технологии. Но она очень надежна, производится серийно, сравнительно дешева и поэтому крайне успешна. Но, поскольку наши ракеты не разрабатывались специально как простые и максимально дешевые, вопрос применимости к ним концепции BDB остается дискуссионным. 
 

Будущее


Что же касается будущего, мне кажется, что этот путь потенциально очень перспективный, и у меня есть два аргумента:
 

Аргумент от технологии

 

Современный ракетный двигатель - очень сложная штука. Множество деталей сложной формы, произведенных из специальных высокопрочных материалов при помощи сложных производственных процессов с очень маленькими допусками по точности - всё это не может стоит дешево. Теперь представим себе ракетный двигатель, который напечатан на 3D-принтере и специально спроектирован для того, чтобы быть простым. Да, он не будет эффективным с точки зрения физики, у него не будет рекордных показателей по давлению в камере сгорания, тяге или удельному импульсу, но мелкосерийное производство таких двигателей может оказаться очень экономически выгодным. Они также не должны быть многоразовыми - на определенном уровне технологии их будет проще переплавить и распечатать снова, чем пытаться перебирать и дефектоскопировать.
 

Аргумент от истории техники

 

Когда человечество по-настоящему освоило компьютеры и микропроцессоры? Когда они стали появляться на городских свалках. В 60-х и 70-х годах мощные ЭВМ были относительно распространены и уже влияли на нашу жизнь. Но для следующего качественного перехода потребовались пусть и менее мощные, но дешевые и доступные персональные компьютеры. Для производства микросхем требуются высокие технологии, но отдельный чип сейчас может стоить копейки.
Ту же ситуацию можно найти и в других областях. Пулемёт Максима изменил поля сражений, но следующим качественным шагом стал автомат Калашникова - с менее мощным патроном и меньшей дальностью прицельной стрельбы, но технологичный для условий массового производства.
В авиации реактивные двигатели дали возможность достигнуть сначала околозвуковых, затем сверхзвуковых скоростей. Но сейчас высокие технологии используются для снижения стоимости полёта, а сверхзвуковые пассажирские лайнеры вымерли.
Мне кажется, эти аналогии могут быть применены и при попытке предсказать будущее ракетной техники. Диалектика развития ракет-носителей может оказаться в том, что высокие технологии и изобретательность людей будут использоваться для создания "глупых" ракет.
 

Список использованных источников


Основной источник кроме Википедии - Encyclopedia Astronautica.

Ссылка: http://lozga.livejournal.com/92027.html.

Фонд поддержки авторов AfterShock

Комментарии

Аватар пользователя roman.kuvaldin
roman.kuvaldin(5 лет 11 месяцев)(17:35:01 / 16-02-2016)

Помним, что каждый килограмм, кужный для обеспечения многоразовости - это килограмм не выведенного на орбиту груза.

Аватар пользователя kwaier
kwaier(3 года 9 месяцев)(22:05:35 / 16-02-2016)

Уважаемый Вы не правы. Такое правило действует для возвращаемой последней ступени или космического корабля (Союз/Шаттл/другие). Если возвращать первую ступень, то коэффициент пересчета в разы меньше.

Аватар пользователя roman.kuvaldin
roman.kuvaldin(5 лет 11 месяцев)(14:04:00 / 17-02-2016)

Уважаемый, это вы не правы. Ракета, вся, целиком - это всего лишь "толкатель" для спутника/грузовика на орбиту/МКС.

Потому-что именно для того чтобы спутник появился на орбите в нужном месте и строится длинная металлическая труба и сжигается сотнями тонн горючее.

И когда вместо стотонной ракеты для вывода двух тонн полезной нагрузки на орбиту (и соопутствующего вывода десяти тонн топлива на высоту, откуда будет спускаться первая ступень) используется пятисоттонная ракета - это дебилизм и попил бабла. Как впрочем и многое другое в Штатах.

Аватар пользователя mmx
mmx(2 года 1 месяц)(17:38:54 / 16-02-2016)

Во-вторых, развитые страны не хотели экономического конкурента своим ракетам-носителям.

Опять эта чушь с теорией заговора. Если бы идея была стоящей - именно развитые страны в нее вцепились бы и моментально развернули производство тысяч таких чудо-ракет. Потому что ракета не самоцель, развитым странам нужна полезная нагрузка на орбите а чем ее туда доставить дело десятое.

 Теперь представим себе ракетный двигатель, который напечатан на 3D-принтере и специально спроектирован для того, чтобы быть простым. Да, он не будет эффективным с точки зрения физики, у него не будет рекордных показателей по давлению в камере сгорания, тяге или удельному импульсу, но мелкосерийное производство таких двигателей может оказаться очень экономически выгодным.

 3D-принтер и экономическая выгода? Смешно, да. 

Аватар пользователя NOD
NOD(2 года 7 месяцев)(11:21:53 / 17-02-2016)

Опять эта чушь с теорией заговора. Если бы идея была стоящей - именно развитые страны в нее вцепились бы и моментально развернули производство тысяч таких чудо-ракет. Потому что ракета не самоцель, развитым странам нужна полезная нагрузка на орбите а чем ее туда доставить дело десятое.

Есть и другой момент. Надежность запуска. Подчас сам выводимый объект стоит в разы дороже ракеты его выводящей. Дешевая простая ракета , которая в 70% уничтожает груз... 

А вообще автор занимается правильным делом ,но уж больно по простецки. 

Аватар пользователя alx_me
alx_me(3 года 5 месяцев)(17:44:14 / 16-02-2016)

Тут у нас на работе тоже есть свой инженер Полесов. Стёкла дребезжат. Чем проще тем лучше. Более того. Всё гениальное - просто. Проблема в том что не всё простое гениально. Людыны это часто путают. Между тем космом это всегда грань науки. Недаром говорят: - "космические технологии". Каждый микронный "не верный допуск" это киллограммы не выведенного груза на орбиту. Всё остальное, безусловно, политика и теория заговора. Это злые политики не дают СГА в космос. Да. нехорошие.

Аватар пользователя Bledso
Bledso(4 года 8 месяцев)(17:47:23 / 16-02-2016)

Для этой схемы есть ключевой пункт, достижение которого весьма сомнительно - двигатели должны быть не просто надежными, а абсолютно надежными.

Аватар пользователя pob_ol
pob_ol(2 года 8 месяцев)(18:17:02 / 16-02-2016)

самое страшное они должны очень точно давать тягу

чем больше двигателей тем сложнее система управления

короче взорвется сто пудово

Аватар пользователя Velantir
Velantir(4 года 6 месяцев)(19:56:07 / 16-02-2016)

Инвесторам не обязательно знать об этом до вложения денег.

Просто на западе времена "МММ" прошли лет сто назад, там сейчас другие лохотроны для более крупного лоха.

Аватар пользователя lataragan
lataragan(2 года 3 месяца)(17:50:56 / 16-02-2016)

любопытно , благодарю

Комментарий администрации:  
*** Клон nopasaran (почти дословные дубли комментов), блокирован ***
Аватар пользователя slonick
slonick(3 года 1 месяц)(17:54:54 / 16-02-2016)

Одного взгляда на эти десятки и сотни сопел достаточно что бы понять - не полетит.

Пусть они простые, пусть технологии можно отработать и каждый блок будет достаточно надежен. Но сама по себе работа стольких одинаковых блоков будет создавать новые неизученные проблемы. Резонанс, например.

А нагрев куда девать? Центральные блоки будут в жаре находится, крайние в более комфортных условиях. Значит центральные блоки нужно более надежными делать. Либо все блоки делать избыточно надежными, что бы сохранить идею унификации.

Вобщем, правильно вам тут сказали. Была бы идея стоящая - давно бы уже реализовали.

Аватар пользователя krol_jumarevich
krol_jumarevich(2 года 11 месяцев)(18:02:29 / 16-02-2016)

Мне первый вариант больше нравится.

А второй, да, что-то не внушает.

Аватар пользователя greshnik80
greshnik80(2 года 9 месяцев)(17:56:37 / 16-02-2016)

Чем сложнее механизм, тем больше вероятность отказа. У проекта этой ракеты много двигателей. Отказ одного-двух двигателей в одном из пакетов вызовет, скорее всего, несимметричность тяги и аварийную ситуацию. Чтобы такого не происходило, нужен способ компенсации, что приводит к новым затратам как финансовым, так и конструктивным. И это в какой-то момент полностью нивелирует выгоды по какому-то из параметров, в частности, по максимально допустимому грузу.

Аватар пользователя nictrace
nictrace(5 лет 9 месяцев)(18:11:23 / 16-02-2016)

вероятность отказа, пусть и маленькая, возводится в степень количества двигателей)

Аватар пользователя partya
partya(4 года 10 месяцев)(18:41:13 / 16-02-2016)

только не вероятность отказа, а вероятность безотказной работы

Аватар пользователя serzhant
serzhant(5 лет 10 месяцев)(18:14:04 / 16-02-2016)

Спасибо интересно. Когда то как и большинство советских мальчишек грезил космосом ,добывал и читал фантастику под одеялом. Потом 90 и стало не до мечт, но память осталась, рад что опять появляются статьи на эту тему.

 свежий обзор, поэтому я не стал делать свой 
 Делайте! тем более что ссылка не открывается- пользователь удалён. Фонтаны рая, помню несколько раз перечитывал.))

Аватар пользователя krol_jumarevich
krol_jumarevich(2 года 11 месяцев)(18:23:08 / 16-02-2016)

Попробую.

Аватар пользователя юрчён
юрчён(5 лет 2 недели)(18:39:42 / 16-02-2016)

Следующий этап это реактивные детонационные двигатели, наверняка вначале не самой большой мощности.

Аватар пользователя Дмитрий 777
Дмитрий 777(3 года 8 месяцев)(18:41:14 / 16-02-2016)

Двигатели оказывают влияние друг на друга.Чем больше двигателей тем больше это влияние.Про проблемы охлаждения уже говорили .а есть еще и вибрации.Что такое резонанс все знают.А как просчитать возможный резонанс такой пачки двигателей?

Ну и главное.Нет сейчас серьезной задачи выводить тяжолые и крупно габоритные грузы на орбиту и по всей видимости пока не будет.Спутники становятся маленькими и относительно легкими. Колонизация Марса и даже  Луны далеко не первостепенная задача.Даже существование МКС под вопросом.и оно вполне обеспечивается тем что есть сейчас.Пока нет серевнования .вроде лунной гонки или челноков.Не будет и амбициозных проектов и ракет.

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(5 лет 11 месяцев)(19:06:59 / 16-02-2016)

Насчёт взаимного влияния большого количества двигателей - желающие могут поискать и посмотреть причину аварии при 3- м пуске ракеты Н-1.

Аватар пользователя beck
beck(2 года 4 месяца)(18:47:31 / 16-02-2016)

Шо я имею сказать на эти проекты:

1) Один мотор - 100% риска, а 4 мотора - 400% (Чкалов Сталину во время обсуждения перелета СССР - США на Ант-25).

2) У сложных проблем проблем есть простые для понимания и реализации неправильные решения. 

Аватар пользователя krol_jumarevich
krol_jumarevich(2 года 11 месяцев)(19:06:04 / 16-02-2016)

Все почему-то придираются ко второму варианту.

Я тоже вижу его недостатки.

А вот первый вариант мне кажется более интересен.

Аватар пользователя Vneroznikov
Vneroznikov(5 лет 11 месяцев)(19:09:36 / 16-02-2016)

Чкалов был прав лишь в том случае, если двигатели настолько слабые, что отказ одного обязательно приводит к прекращению полёта. В авиации уже с конца 30-х стало не так. А стало ровно наоборот.

Аватар пользователя Хитрый Лис
Хитрый Лис(2 года 4 месяца)(19:12:02 / 16-02-2016)

Ну да, ну да. Все вокруг идиоты, одни мы умные. 90-95% аварий, это проблема двигателей в том или ином виде. Начиная от управления и заканчивая банальным прогаром. Рассинхронизация одного и результат как на фото испытательного пуска. Тупо посчитав статистику отказов на число удачных запусков получим неоспоримый факт - автор несет бред. От недостатка ума или из-за обычной лени (сеть + калькулятор, полагаю, ничего экстраординарного), судить не мне.
ИМХО - пусть сам летает на "глупых носителях". Один раз до небес долетит.

Аватар пользователя Слон
Слон(4 года 11 месяцев)(07:00:52 / 17-02-2016)

И никто не задался простым вопросом: а нафига это нужно?

Какая польза от того, что кто-то слетает на Марс и воткнёт флажок в песчаный бархан?

Была песня со словами "И на Марсе будут яблони цвести". А для кого они там будут цвести?  Сначала надо бы всех сибиряков обеспечить яблоками круглый год.  Да нормальными, а не такими пропитанными химией из Китая, как сейчас.  А лучше переселить сибиряков туда, где фрукты круглый год на деревьях.

Комментарий администрации:  
*** Альтернативно адекватен ***
Аватар пользователя Omni
Omni(5 лет 2 месяца)(11:34:33 / 19-02-2016)

И у каждого "микроба" своя клеточная стенка, перемещение которой пустая трата энергии для всей сборки.

Лидеры обсуждений

за 4 часаза суткиза неделю

Лидеры просмотров

за неделюза месяцза год

СМИ

Загрузка...