Доклад на тему: «Многоразовые космические корабли на примере проекта «Hermes»

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Московской области «Электростальский колледж»

Номинация «История космонавтики»

Доклад

на тему:

«Многоразовые космические корабли

          на примере проекта «Hermes»

Работу выполнила: Базыкина Кристина

Студентка 1 курса

Группа МОЦИКИ 17-01

Г. Электросталь

Содержание:

1. Предыстория многоразовых кораблей. 

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

3. Перспективы развития многоразовых космических систем.

4. Список используемой литературы.

100 лет назад отцы — основатели космонавтики вряд ли могли себе представить, что космические корабли будут выбрасывать на свалку после одного-единственного полета. Неудивительно, что первые проекты кораблей виделись многоразовыми и зачастую крылатыми. Долгое время — до самого начала пилотируемых полетов — они конкурировали на чертежных досках конструкторов с одноразовыми «Востоками» и «Меркуриями». Увы, большинство многоразовых кораблей так и остались проектами, а единственная система многократного применения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle), оказалась страшно дорогой и далеко не самой надежной. Почему так получилось?

Одним из первых технически проработанных проектов космического челнока был ракетоплан конструкции Ойгена Зенгера. В 1929 году он выбрал этот проект для докторской диссертации. По замыслу австрийского инженера, которому было всего 24 года, ракетоплан должен был выходить на околоземную орбиту, например, для обслуживания орбитальной станции, а затем возвращаться на Землю с помощью крыльев. В конце 1930-х - начале 1940-х годов в специально созданном закрытом научно-исследовательском институте он выполнил глубокую проработку ракетного самолета, известного как «антиподный бомбардировщик». К счастью, в Третьем рейхе проект реализован не был, но стал отправной точкой для многих послевоенных работ как на Западе, так и в СССР. Так, в США, по инициативе В. Дорнбергера (руководителя программы V-2 в фашистской Германии), в начале 1950-х годов проектировался ракетный бомбардировщик Bomi, двухступенчатый вариант которого мог бы выходить на околоземную орбиту. 
    В 1957 году американские военные начали работу над ракетопланом DynaSoar. Аппарат должен был выполнять особые миссии (инспекция спутников, разведывательно-ударные операции и др.) и в планирующем полете возвращаться на базу. В СССР, еще до полета Юрия Гагарина, рассматривалось несколько вариантов крылатых пилотируемых аппаратов многоразового использования, таких как ВКА-23 (главный конструктор В.М. Мясищев), «136» (А.Н. Туполев), а также проект П.В. Цыбина, известный как «лапоток», разработанный по заказу С.П. Королева. Во второй половине 1960-х годов в СССР в ОКБ А.И. Микояна, под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского, велась работа над многоразовой авиационно-космической системой "Спираль", которая состояла из сверхзвукового самолета - разгонщика и орбитального самолета, выводимого на орбиту с помощью двухступенчатого ракетного ускорителя. Орбитальный самолет по размерности и назначению в общих чертах повторял DynaSoar, однако отличался формой и техническими деталями. Рассматривался и вариант запуска «Спирали» в космос с помощью ракеты-носителя «Союз». Из-за недостаточного технического уровня тех лет ни один из многочисленных проектов многоразовых крылатых аппаратов 1950-1960 годов не вышел из стадии проектирования.

2. Многоразовые космические корабли нового поколения

    С момента начала реализации программы Space Shuttle в мире неоднократно предпринимались попытки создания новых многоразовых кораблей. Проект "Гермес" начали разрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а потом продолжили в рамках Европейского космического агентства. Этот небольшой космический самолет, сильно напоминавший проект DynaSoar (и разрабатываемый в России "Клипер"), (См. приложение № 1), должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5», доставляя к орбитальной станции несколько человек экипажа и до трех тонн грузов. Несмотря на достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам. В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов, был закрыт. Куда более фантастично выглядел проект беспилотного воздушно-космического самолета с горизонтальным взлетом и посадкой HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing), предложенный в 1984 году фирмой British Aerospace. По замыслу, этот одноступенчатый крылатый апnарат предполагалось оснастить уникальной двигательной установкой, сжижающей в полете кислород из воздуха и использующей его в качестве окислителя. Горючим служил водород. 
    Финансирование работ со стороны государства (три миллиона фунтов стерлингов) через три года прекратилось из-за необходимости огромных затрат на демонстрацию концепции необычного двигателя. Промежуточное положение между "революционным" HOTOL и консервативным "Гермесом" занимает проект воздушно-космической системы "Зенгер" (Sanger), разработанный в середине 1980-х годов в ФРГ. (См. приложение № 2). Первой ступенью в нем служил гиперзвуковой самолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. После достижения 4-5 скоростей звука с его спины стартовали либо пилотируемый воздушно-космический самолет "Хорус", либо одноразовая грузовая ступень «Каргус». Однако и этот проект не вышел из "бумажной" стадии, в основном по финансовым причинам. Американский проект NASP был представлен президентом Рейганом в 1986 году как национальная программа а воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли "Восточным экспрессом", имел фантастические летные характеристики. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением, которые, по утверждениям специалистов, могли работать при числах Маха от 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемам и, и в начале 1990-х годов его закрыли.

    Советский «Буран» подавался в отечественной (да и в зарубежной) печати как безусловный успех. (См. приложение № 3). Однако, совершив единственный 6ecпилотный полет 15 ноября 1988 года, этот корабль канул в Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался не менее совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и универсальности применения даже превосходил заокеанского конкурента. В отличие от американцев советские специалисты не питали иллюзий по поводу экономичности многоразовой системы - расчеты показывали, что одноразовая ракета эффективнее. Но при создании "Бурана" основным был иной аспект - советский челнок разрабатывался как военно-космическая система. С окончанием «холодной войны» этот аспект отошел на второй план, чего не скажешь про экономическую целесообразность. А с ней у «Бурана» было плохо: его пуск обходился, как одновременный старт пары сотен носителей «Союз». Судьба «Бурана» была решена. 

Проект “Hermes”

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 не превышение максимальных 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.

Окончательный вариант компоновки ОК "Hermes" выглядел следующим образом

Условные обозначения:

• 1 - авиационное оборудование;
• 2 - водяной бак;
• 3 - входной люк;
• 4 - расходный водяной бак;
• 5 - бак гидразина;
• 6 - управляющие двигатели (400Н);
• 7 – элевон;
• 8 – иллюминатор;
• 9 - топливный бак;
• 10 - бак с азотом;
• 11 - бак сжатого воздуха;
• 12 - остронаправленная антенна;
• 13 - бак с жидким кислородом;
• 14 - вспомогательная силовая установка;
• 15 – радиаторы;
• 16 - топливные элементы;
• 17 - орбитальный заменяемый отсек;
• 18 - бортовой манипулятор;
• 19 - блоки жидкостной системы охлаждения;
• 20 - РДТТ отделения ВКС;
• 21 - руль направления;
• 22 - управляющие двигатели (26Н);
• 23 - звездный датчик;
• 24 - бак жидкого водорода;
• 25 - отсек полезного груза;
• 26 – электрооборудование;
• 27 - панель основных приборов;
• 28 - стыковочный узел;
• 29 - двигатели орбитального маневрирования;
• 30 - бак с гелием;
• 31 - управляющие двигатели (400Н);
• 32 - РДТТ разделения "Hermes"/РН "Ариан-5";
• 33 - кресло бортинженера;
• 34 - рабочее место командира;
• 35 - жилая зона;
• 36 – тунель;
• 37 - катапультируемое кресло;
• 38 - лобовая кромка;
• 39 - бортовой манипулятор;
• 40 - рабочее место пилота;
• 41 - выходной скафандр;
• 42 - руль направления;43 - воздушный тормоз

Если в России “долго запрягают, но быстро едут”, то во Франции наблюдалась совершенно обратная ситуация – быстрый старт и затяжное проектирование, не давшее желаемых результатов. В конечном итоге, от всей программы остались лишь эскизы, макеты “Hermes” и красочные иллюстрации орбитального самолёта.

Причина закрытия проекта:

Проект “Hermes” - официальная разработка началась в ноябре 1987, хотя проект был одобрен французским правительством еще в 1978. Проектом предполагалось, что первый корабль будет запущен в 1995, однако изменение политической ситуации и трудности с финансированием привели к закрытию проекта в 1993. Ни одного корабля так построено и не было.

3. Перспективы развития многоразовых космических систем.

    Несмотря на то, что новые программы разработки многоразовых кораблей появляются как грибы после дождя, до сих пор ни одна из них не принесла успеха. Ничем окончились упомянутые выше проекты Hermes (Франция, ЕКА), HOTOL (Великобритания) и Saпger (ФРГ). "Завис" между эпохами МАКС - советско-российская многоразовая авиационно-космическая система. (См. приложение № 5). Потерпели неудачу и программы NASP (Национальный аэрокосмический самолет) и RLV (Многоразовая paкета-носитель) - очередные попытки США создать МТКС второго поколения на замену Space Shuttle. В чем же причина такого незавидного постоянства? По сравнению с одноразовой ракетой-носителем создание «классической» многоразовой транспортной системы обходится крайне дорого. Сами по себе технические проблемы многоразовых систем решаемы, но стоимость их решения очень велика. Повышение кратности использования требует порой весьма значительного увеличения массы, что ведет к повышению стоимости. Для компенсации роста массы берутся (а зачастую изобретаются с нуля) сверхлегкие и сверхпрочные (и более дорогие) конструкционные и теплозащитные материалы, а также двигатели с уникальными параметрами. А применение многоразовых систем в области малоизученных гиперзвуковых скоростей требует значительных затрат на аэродинамические исследования. 
    И все же это вовсе не значит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положение меняется при большом количестве пусков. Допустим, стоимость разработки системы составляет 10 миллиардов долларов. Тогда, при 10 полетах (без затрат на межполетное обслуживание), на один запуск будет отнесена стоимость разработки в 1 миллиард долларов, а при тысяче полетов - только 70 миллионов! Однако из-за общего сокращения «космической активности человечества» о таком числе пусков остается только мечтать... Значит, на многоразовых системах можно поставить крест? Тут не все так однозначно. Во-первых, не исключен рост «космической активности цивилизации». Определенные надежды дает новый рынок космического туризма. Возможно, на первых порах окажутся востребованными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии "классических» одноразовых", такие как европейский Hermes или, что нам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, могут выводиться в космос обычными (в том числе, возможно, уже имеющимися) одноразовыми ракетами-носителями. Да, такая схема не сокращает затраты на доставку грузов в космос, но позволяет сократить расходы на миссию в целом (в том числе снять с промышленности бремя серийного производства кораблей). К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске, что является несомненным достоинством. Во-вторых, что особенно важно для России, применение многоразовых крылатых ступеней позволяет снять ограничения на азимут пуска и сократить затраты на зоны отчуждения, выделяемые под поля падения фрагментов ракет-носителей. 
    

Подводя итог, можно полагать, что будущее многоразовых космических систем безоблачным не будет. Им придется отстаивать право на существование в суровой борьбе с примитивными, но надежными н дешевыми одноразовыми ракетами.

Приложение № 1.             «Эскиз космического корабля "Клипер"

                               (один из вариантов)

Приложение № 2. «Зенгер»

Так виделся запуск космического самолета немецким инженерам в середине 1980-х годов. Первая ступень – самолет - разгонщик с прямоточными воздушными  реактивными двигателями. Вторая орбитальная ступень стартует на высоте более 30 км при скорости 6,8 Маха. стартовая масса системы - 340 т, из них 100 т водорода. Вторая ступень несет 65,5 т ракетного топлива. Экипаж - 2 пилота, 4 пассажира, груз - 2-3 тонны. первая ступень проектировалась как гиперзвуковой пассажирский самолет на 250 мест. Орбитальная допускала модификацию на 36 пассажиров.

Приложение № 3.                        «Буран», СССР, 1976.

Многоразовый космический корабль, аналог системы Space Shuttl. Вертикальный старт, горизонтальная посадка с боковым маневром 2000 км. Стартовая масса (с ракетой "Энергия") - 2375 т, орбитальная ступень 105 т. Экипаж - 10 человек, полезная нагрузка - 30 т.

Приложение № 4.                                        «Гермес»

Франция/ЕКА, 1979-1994. Орбитальный самолет, запускаемый вертикально ракетой Ариан-5, садящийся горизонтально с боковым маневром до 1500 км. Стартовая масса - 700 т, орбитальная ступень - 10-20 т. Экипаж 3-4 человека, вывозимый груз - 3 т, возвращаемый 1,5 т.

Приложение № 5. «МАКС», СССР/Россия, с 1985 года.

Многоразовая система с воздушным стартом, посадка горизонтальная. Взлетная масса - 620 т, вторая ступень с топливным баком - 275 т, орбитальный самолет - 27 т. Экипаж - 2 человека, полезная нагрузка - до 8 т. По утверждению разработчиков (НПО Молния). МАКС - наиболее близкая к реализации проект многоразового корабля.