Вес ракеты является решающим фактором для характеристик и дальности полета. Оригинальный жезл для огненной стрелы увеличивал массу ракеты и, следовательно, значительно ограничивал ее дальность действия. С появлением современной ракетной техники в 20-м веке были найдены новые способы повышения устойчивости ракет и в то же время снижения общего веса ракеты. Ответом стала разработка активных элементов управления.
Системы активного управления включали лопасти, подвижные плавники, утки, карданные сопла, ракеты с нониусом, впрыск топлива и управление ориентацией. ракеты.
Наклонные плавники и утки очень похожи друг на друга по внешнему виду — единственная реальная разница — их расположение на ракете. Канарды установлены на переднем конце, а стабилизаторы наклона — сзади. В полете киля и утки наклоняются, как рули направления, чтобы отклонить воздушный поток и заставить ракету изменить курс. Датчики движения на ракете обнаруживают незапланированные изменения направления, и корректировки можно внести, слегка наклонив киля и утки. Преимущество этих двух устройств — их размер и вес. Они меньше и легче, и имеют меньшее сопротивление, чем большие ласты.
Другие активные системы управления могут полностью исключить ласты и утки. В полете можно изменить курс, изменив угол выхода выхлопных газов из двигателя ракеты. Для изменения направления выхлопа можно использовать несколько методов. Лопатки — это небольшие плавниковые устройства, размещенные внутри выхлопной трубы ракетного двигателя. Наклон лопастей отклоняет выхлоп, и реактивная ракета отвечает, указывая в противоположную сторону.
Другой способ изменить направление выпуска — это подвесить сопло. Сопло с карданным подвесом — это такое сопло, которое может раскачиваться, когда через него проходят выхлопные газы. Наклоняя сопло двигателя в нужном направлении, ракета реагирует изменением курса.
Ракеты Вернье также могут использоваться для изменения направления. Это маленькие ракеты, установленные снаружи большого двигателя.. Они стреляют при необходимости, производя желаемое изменение курса.
В космосе только вращение ракеты вдоль оси крена или использование активных элементов управления, включающих выхлоп двигателя, может стабилизировать ракета или измените ее направление. Без воздуха ластам и уткам работать не на что. Научно-фантастические фильмы, в которых показаны ракеты с крыльями и плавниками в космосе, содержат много художественной литературы и не содержат науки. Наиболее распространенными видами активного управления, используемыми в космосе, являются ракеты с контролем ориентации. Небольшие группы двигателей установлены по всему автомобилю. Запустив правильную комбинацию этих небольших ракет, автомобиль можно повернуть в любом направлении. Как только они нацелены правильно, срабатывают главные двигатели, отправляя ракету в новом направлении.
Масса ракеты
Масса ракеты — еще один важный фактор, влияющий на ее характеристики. Это может иметь значение между успешным полетом и валянием на стартовой площадке. Ракетный двигатель должен создавать тягу, превышающую общую массу транспортного средства, прежде чем ракета сможет оторваться от земли. Ракета с большой ненужной массой будет не такой эффективной, как ракета, урезанная до самого необходимого. Общая масса транспортного средства должна быть распределена по этой общей формуле для идеальной ракеты:
- Девяносто один процент от общей массы должен быть топливом.
- Три процента должны составлять баки, двигатели и плавники.
- Полезная нагрузка может составлять 6 процентов. Полезной нагрузкой могут быть спутники, космонавты или космические корабли, которые отправятся на другие планеты или луны.
При определении эффективности конструкции ракеты говорят ракетчики. в единицах массовой доли или «MF». Масса ракетного топлива, разделенная на общую массу ракеты, дает массовую долю: MF = (Масса ракетного топлива)/(Общая масса)
В идеале, массовая доля ракеты 0,91. Можно было бы подумать, что MF, равное 1,0, является идеальным, но тогда вся ракета была бы не чем иным, как куском топлива, которое воспламенилось бы в огненный шар. Чем больше число MF, тем меньше полезной нагрузки может нести ракета. Чем меньше число MF, тем меньше становится его диапазон. MF 0,91 — хороший баланс между грузоподъемностью и дальностью полета.
MF Space Shuttle составляет приблизительно 0,82. MF варьируется между разными орбитальными аппаратами во флоте космических челноков и с разной массой полезной нагрузки для каждой миссии.
Ракеты, которые достаточно велики, чтобы доставлять космический корабль в космос иметь серьезные проблемы с весом. Им нужно много топлива, чтобы достичь космоса и найти правильные орбитальные скорости. Поэтому танки, двигатели и связанное с ними оборудование становятся больше. До определенного момента ракеты большего размера летят дальше, чем ракеты меньшего размера, но когда они становятся слишком большими, их конструкции слишком утяжеляют их. Массовая доля уменьшена до невозможного числа.
Решение этой проблемы можно приписать создателю фейерверков 16-го века Иоганну Шмидлапу. Он прикрепил маленькие ракеты к вершине больших. Когда большая ракета была разряжена, корпус ракеты был сброшен назад, и оставшаяся ракета выстрелила. Были достигнуты гораздо большие высоты. Эти ракеты, используемые Шмидлапом, назывались ступенчатыми.
Сегодня этот метод создания ракеты называется ступенчатым. Благодаря постановке стало возможным побывать не только в космосе, но и на Луне и других планетах. Космический шаттл следует принципу ступенчатой ракеты, сбрасывая твердотопливные ракетные ускорители и внешний бак, когда у них заканчивается топливо.
Пример. Falcon 9
Falcon 9 - — семейство одноразовых и частично многоразовых ракет-носителей тяжёлого класса серии Falcon американской компании SpaceX. Falcon 9 состоит из двух ступеней и использует в качестве компонентов топлива керосин марки RP-1 (горючее) и жидкий кислород (окислитель). Цифра «9» в названии обозначает количество жидкостных ракетных двигателей Merlin, установленных на первой ступени ракеты-носителя.
Первая ступень Falcon 9 может быть повторно использована, на неё установлено оборудование для возврата и вертикального приземления на посадочную площадку или плавающую платформу autonomousspaceportdroneship. 22 декабря 2015 года, после запуска на орбиту 11 спутников Orbcomm-G2, первая ступень ракеты-носителя Falcon 9 FT впервые успешно приземлилась на площадку Посадочной зоны 1. 8 апреля 2016 года, в рамках миссии SpaceXCRS-8, первая ступень ракеты Falcon 9 FT впервые в истории ракетостроения успешно приземлилась на морскую платформу «OfCourseIStillLoveYou». 30 марта 2017 года, та же ступень, после технического обслуживания, была запущена повторно в рамках миссии SES-10 и снова успешно приземлилась на морскую платформу. Всего в 2017—2019 годах было осуществлено 24 повторных запуска первой ступени. В 2020 году, в 21 из 26 запусков первая ступень использовалась повторно, одна из ступеней использовалась 5 раз в течение года и две ступени были запущены в седьмой раз.
Falcon 9 используется для запусков геостационарных коммерческих спутников связи, научно-исследовательских космических аппаратов, грузового космического корабля Dragon в рамках программы CommercialResupplyServices по снабжению Международной космической станции, а также для запуска пилотируемого корабля CrewDragon. Рекордной по массе полезной нагрузкой, выведенной на низкую опорную орбиту (НОО), является связка из 60 спутников Starlinkc суммарным весом 15 600 килограмм. Такие связки SpaceX регулярно выводит на орбиту 290 км с 2019 года и ставит целью 24 таких запуска в 2020 году. Рекордом на геопереходной орбите (ГПО), является Intelsat 35e — 6 761 кг.
Первая ступень
Использует керосин RP-1 в качестве горючего и жидкий кислород в качестве окислителя. Построена по стандартной схеме, когда бак окислителя располагается над баком с горючим. Днище между баками общее. Оба бака выполнены из алюминиево-литиевого сплава, добавление в сплав лития увеличивает удельную прочность материала и позволяет уменьшить массу конструкции[3]. Стенки бака окислителя несущие, стенки бака горючего усилены шпангоутами и продольными балками в связи с тем, что на нижнюю часть первой ступени приходится наибольшая наседающая нагрузка. Окислитель поступает в двигатели через трубопровод, проходящий через центр топливного бака по всей его длине. Для наддува баков используется сжатый гелий[4][5].
Первая ступень Falcon 9 использует девять жидкостных ракетных двигателей Merlin[6]. В зависимости от версии ракеты-носителя разнятся версия двигателей и их компоновка. Для запуска двигателей используют самовоспламеняющуюся смесь триэтилалюминия и триэтилборана (TEA-TEB)[5].
Первую и вторую ступени соединяет переходный отсек, оболочка которого выполнена из алюминиево-углепластикового композита. Он закрывает двигатель второй ступени и содержит механизмы разделения ступеней. Механизмы разделения — пневматические, в отличие от большинства ракет, использующих для подобных целей пиропатроны. Такой тип механизма позволяет обеспечить его дистанционное испытание и контроль, повышая надёжность разделения ступеней[5][6].
Вторая ступень
Является, по сути, укороченной копией первой ступени, с использованием тех же материалов, производственных инструментов и технологических процессов. Это позволяет существенно уменьшить расходы на производство и обслуживание ракеты-носителя и, как следствие, снизить стоимость её запуска. Аналогично первой ступени, баки изготовлены из алюминиево-литиевого сплава, стенки бака горючего подкреплены продольным и поперечным силовым набором, стенки бака окислителя без подкрепления. Также использует в качестве компонентов топлива керосин и жидкий кислород[5].
На второй ступени используется один жидкостный ракетный двигатель Merlin Vacuum[6][7]. Отличается соплом со значительно увеличенной степенью расширения для оптимизации работы двигателя в вакууме. Двигатель может быть перезапущен многократно для доставки полезной нагрузки на различные рабочие орбиты. Вторая ступень также использует для запуска двигателя самовоспламеняющуюся смесь TEA-TEB. Для повышения надёжности система зажигания двукратно резервирована[6].
Для управления пространственным положением в фазе свободного орбитального полёта, а также для контроля вращения ступени во время работы основного двигателя используется система ориентации, газореактивные двигатели которой работают на сжатом азоте[4][5].
Бортовые системы
Каждая ступень оборудована авионикой и бортовыми полётными компьютерами, которые контролируют все параметры полёта ракеты-носителя. Вся используемая авионика собственного производства SpaceX и выполнена с трёхкратным резервированием. Для повышения точности вывода полезной нагрузки на орбиту в дополнение к инерциальной навигационной системе используется GPS. Полётные компьютеры работают под управлением операционной системы Linux с программным обеспечением, написанным на языке C++[5].
Каждый двигатель Merlin оснащён собственным контроллером, следящим за параметрами двигателя в течение всего времени работы. Контроллер состоит из трёх процессорных блоков, которые постоянно проверяют показатели друг друга с целью повышения отказоустойчивости системы[5].
Ракета-носитель Falcon 9 способна успешно завершить полёт даже при аварийном выключении двух из девяти двигателей первой ступени[8][9]. В такой ситуации полётные компьютеры выполняют перерасчёт программы полёта, и оставшиеся двигатели работают дольше для достижения необходимой скорости и высоты. Аналогичным образом меняется полётная программа второй ступени. Так, на 79-й секунде полёта SpaceX CRS-1 двигатель номер 1 первой ступени был аварийно остановлен после срыва его обтекателя и последовавшего падения рабочего давления. Космический корабль Dragon был успешно выведен на расчётную орбиту за счёт увеличенного времени работы остальных восьми двигателей, хотя выполнявший роль вторичной нагрузки спутник Orbcomm-G2 был выведен на более низкую орбиту и сгорел в атмосфере через 4 дня[10].
Так же как и в ракете-носителе Falcon 1, последовательность запуска Falcon 9 предусматривает возможность остановки процедуры запуска на основании проверки двигателей и систем ракеты-носителя перед стартом. Для этого пусковая площадка оборудована четырьмя специальными зажимами, которые некоторое время удерживают ракету уже после запуска двигателей на полную мощность. При обнаружении неполадок запуск останавливается, и проводится откачка топлива и окислителя из ракеты. Таким образом, для обеих ступеней предусмотрена возможность повторного использования и проведения стендовых испытаний перед полётом[11]. Подобная система также использовалась для «Шаттла» и «Сатурна-5».
Головной обтекатель
Конический головной обтекатель располагается на вершине второй ступени и защищает полезную нагрузку от аэродинамических, температурных и акустических воздействий во время полёта в атмосфере. Состоит из двух половин и отделяется сразу после выхода ракеты из плотных слоёв атмосферы. Механизмы отделения полностью пневматические. Обтекатель, как и переходной отсек, изготавливается из ячеистой, сотовидной алюминиевой основы с многослойным углепластиковым покрытием. Высота стандартного обтекателя Falcon 9 составляет 13,1 м, диаметр внешний 5,2 м, диаметр внутренний 4,6 м, вес около 1750 кг[4][5][12]. Каждая створка обтекателя оборудована азотными двигателями для управления ориентацией в вакууме и системой управления парафойлом, обеспечивающими плавное управляемое приводнение в заданной точке с точностью 50 м. Чтобы избежать контакта створки с водой SpaceX пытается поймать её в сетку площадью 40000 кв. футов[13] (~ 3716 м2), натянутую подобно батуту над быстроходными судами. Для этой задачи SpaceX использует подрядчиков, уже имеющих опыт в области управляемой посадки парашютов с грузом до 10 000 кг[14]. Обтекатель не используется при запуске космического корабля Dragon.
Библиографический список:
• https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0_%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%BA%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B9
• https://pandia.ru/text/78/021/214.php
• https://recture.ru/common/sistemy-ustoychivosti-i-upravleniya-poletom-rakety/
• https://kia-soft.narod.ru/interests/rockets/theory/stability/stability.htm