Исследование и анализ аэродинамических характеристик возвращаемого аппарата, его устойчивость в управляемости на атмосферном участке полета проводились в ЦАГИ и в НИИ парашютостроения. В результате этих и других исследований появилась окончательная модель корпуса «Клипер».
До 2003г. работы по «Клиперу» велись полностью в инициативном порядке, и хроническое недофинансирования космической отрасли не оставляло надежд на реализацию проекта, но 2003г. ситуацию удалось переломить, заинтересовав новым кораблём Росавиакосмос. К этому моменту проектанты, определившись с формой корабля, вплотную занялись его внутренней компоновкой. Этот этап является самым сложный и, пожалуй, самым интересным. В процессе работы стало ясно, что «завязать» полностью многоразовый корабль в выбранных габаритах и массе не получается. Чтобы не повторять ситуацию, возникшую при проектировании западноевропейского многоразового космического корабля «Гермес», когда неуклонный рост массы корабля в процессе проектирования в конечном итоге погубил проект, конструкторы «Клиперы» сразу решили компоновать корабль из двух функциональных отсеков - многоразового возвращаемого аппарата и одноразового служебно-агрегатного отсека, сбрасываемого после отработки тормозного импульса для схода с орбиты. Такая идеология занимает промежуточное место между полностью многоразовым «Бураном» и одноразовым «Союзом», сбрасывающим перед тормозном импульсом бытовой, а затем перед выходом в атмосферу и служебно-агрегатный отсек.
Рассматривалось два варианта расположения не герметичного служебно-агрегатного отсека - впереди и сзади возвращаемого аппарата. Местоположения служебно-агрегатного отсека имеет принципиальное значение, так как от этого зависит не только внешняя, но и внутренняя компоновка возвращаемого аппарата. Первоначальная компоновка «Клипера» повторяла общую компоновку «Союза» (точнее, его вариант 7К-Л1 - изделия 11Ф91 для пилотируемого облёта Луны с использованием РН «Протон» (УР-500К)). Служебно-агрегатный отсек располагается в хвостовой части корабля, стыкуясь разрывными соединениями с возвращаемым отсеком со стороны его задней части, покрытой теплозащитными покрытиями. Космонавты при такой компоновке «Клипера» располагался (двумя рядами по трое) в ориентации, аналогичной их размещению в «Союзе» - спиной к теплозащитному экрану, что обеспечивало оптимальное направление воздействии перегрузок (в направлении «грудь-спина») на этапах старта и посадки. Для более комфортабельной переносимости перегрузки экипажа, возвращающемся из длительных космических экспедиций, при спуске предусматривалось изменения наклонов кресел на 30º. Это обусловлено тем, что возвращаемый аппарат «Клипер», выполненный по схеме «несущий корпус», спускается (тормозится) в атмосфере при больших углах атаки по сравнению со спускаемым аппаратом «Союза», и стартовое положение кресел становится неоптимальным. Положение экипажа лицом к стыковому узлу также является более привычным при выполнении различных демонических операций на орбите (сближение, стыковке и т.д.). Такую компоновку «Клипера» предложили в 2001 г. Разработчики: Ю.П. Семёнов, Н.А. Брюханов, В.А. Болотин, О.Е. Макарьев, Н.К. Петрову, А.Г. Решетин, Б.И. Сотников и В.В. Цветков, однако при всех достоинствах она имела и принципиальный недостатки.
Для полноценной работы на орбите требуется еще один замкнутый обитаемый бытовой отсек, который мог бы выполнять функции шлюзовой камеры при выходе экипажа в открытый космос, что вызывала серьёзные трудности компоновка системы аварийного спасения для обеспечения безопасности экипажа на участке выведения. Проблему шлюзования можно было решить включением в состав корабля бытового отсека от «Союза» - в таком случае «Клипер» становился просто глубокой модификацией «Союза» с переделкой служебно-агрегатного отсека и существенным увеличением аэродинамического качества, размеров и массы спускаемого аппарата, который, становясь многоразовым, теперь назывался возвращаемым отсеком. Но такие использования проверенных на «Союзе» конструктивных решений требовала мощной и тяжелой системы аварийного спасения (САС), которой теперь предстояло быстро увести от терпящей аварию ракеты-носителя бытовой и возвращаемый отсек общим весом более 10-12т.
Выход был найден в совмещении герметичного бытового и негерметичного служебно-агрегатного отсеков в едином орбитальном отсеке, сбрасываемым перед спуском с орбиты после выдачи тормозного импульса. При такой компоновке орбитальный отсек можно было «оставить» на аварийный РН, а с помощью САС уводить от ракеты только возвращаемый отсек. Теперь у корабля появился чёткие понятия «нос» и «хвост», неизменные для всех участков полёта, от старта до посадки. Экипаж всё время «смотрел» вперёд, но стыковаться приходилось «задом», по прибором либо с выносного пульта управления в бытовом отсеки. Новое положение экипажа было не оптимальным с точки зрения воздействия перезагрузки при спуске, но её направление «голова-ноги» можно изменить на близкое к «грудь-спина» путём повтора (опрокидывание на спину) кресел на 90º.
После выбора общей компоновке на следующем этапе проектирования проводилось многократная оптимизация летно-технических и массогабаритных характеристик корабля (параметрических анализ) с учетом продолжавшихся работ по уточнению выполняемых «Клипером» задач и выбора состава бортового оборудования.
Примерно в этот же период времени в дочерней фирме РКК «Энергия» - консорциуме «Космическая регата» (один из руководителей которого был нынешний генеральный директор РКК «Энергия» - Николай Севастьянов) в период 2003-2004 гг. в инициативном порядке была предложена новая концепция нового космического корабля, получившего названия «Гибридный», сочетавшего в себе особенности и преимущества космических кораблей двух основных типов: капсульного и крылатого. Основная идея состояла в том, что крылья корабля были выполнены складывающимися и при спуске в атмосферу защищались лобовым экраном, а после его сброса они должны были разворачиваться для посадки на взлётно-посадочную полосу.
Рассматривались различные варианты корабля: массой 7,12 и 20 тонн с экипажем от 2 до 8 человек, но работы были приостановлены на стадии технического предложения.
В начале 2004 г. в РКК «Энергия» был выпущен итоговый отчёт «Результаты проектных проработок и исследований пилотируемого космического корабля с возвращаемым аппаратом конструктивной формы «несущий корпус». Данный проект пилотируемого космического корабля (ПКК) получил официальное название «Клипер».
февраля 2004. во время пресс-конференции в ИТАР-ТАСС генеральный директор Росавиакосмоса Ю.Н. Коптев впервые сообщил о проекте перспективного корабля «Клипер» широкой общественности. С его слов, Россия разрабатывает новый космический корабль с 2000 года, эта новость тогда прозвучала как сенсация! Усилия РКК «Энергия» по продвижению проекта нового корабля не пропали даром - уже в апреле 2004 года Николай Моисеев, первый заместитель главы ФКА, сообщил о включении проекта создания «Клипера», в Федеральную космическую программу России на 2005-2015 годы.
Назначение «Клипера»
ПКК «Клипер» представляет собой многоразовый многоцелевой космический корабль, который может использоваться как в пилотируемом, так и в беспилотным (автоматическом) режиме. «Клипер» разрабатывается как элемент транспортной системы обслуживания орбитальных комплексов (станций) на околоземных орбитах высотой до 500 км и выполняет следующие основные задачи:
Доставка на орбиту и возвращение на Землю экипажа и полезного груза, перевоз экспертов и исследователей.
Выполнения функции корабля-спасателя для эвакуации экипажа станции на Землю при возникновении экстремальной ситуации (при нахождении корабля в составе станции);
Удаление со станции отработавшего свой ресурс оборудования, продуктов жизнедеятельности и т.д.
Кроме того, обеспечивается возможность аэродинамического маневра и горизонтальная (самолётная) посадка на аэродром с использованием колёсного шасси. Посадка на аэродром исключает необходимость задействования дорогостоящих средств поисково-спасательной службы (ПСС). К преимуществу «крылатой» схемы можно также отнести большей коэффициент многоразовости: не требуется парашютная система, двигатель мягкой посадки, посадочное устройство, т.е. одноразовые системы, замена которых требуется после каждого полета.
Недостатком «крылатой схемы» «Клипера» я вижу то, что невозможен неуправляемый спуск корабля, значит, к пилотам предъявляются более высокие требования, что опять не исключает «Человеческий фактор». Надёжность бортовых систем также должна быть безоговорочной на участке схода с орбиты и приземления. Кроме этого, если случится аварийная ситуация, простой - дежурный аэродром не сможет принять «Клипер», значит, потребуются дополнительные запасные аэродромы, что, в конечном счете, приведёт к удорожанию проекта. Следует также отметить, что конструкция «крылатого» варианта несколько тяжелее, чем аппарат по схеме «несущий корпус» за счёт того, что в нём имеются крылья с теплозащитным покрытиям и шасси, хотя при этом и отсутствует парашютная система, двигатели мягкой посадки и посадочное устройство.
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ
Тема: «Исследование «топлива» модели реактивного двигателя
Цель: Определить какое «топливо» более оптимально для развития скорости модели реактивного двигателя.
Оборудование:
картон,
ножницы,
растительное масло,
моющее средство «Ферри»,
ёмкость с водой,
секундомер,
линейка.
Ход работы.
. Из картона вырезаем две фигурки космического корабля. Посередине разрезаем так, чтобы получилось сопло (сквозной канал).
. Помещаем «корабли» на воду, отмечаем начальное положение, в сопло одного добавляем капельку растительного масла, засекаем время движения и отмечаем дальность «полёта»
. В сопло второго «корабля» добавляем капельку моющего средства «Ферри» и повторяем измерения.
Таблица 1
| № | «топливо» | S, м | t, с | U, м\с |
| Растительное масло | 0,1 | 0,05 | ||
| Моющее средство «Ферри» | 0,25 | 1,8 | 0,1 |
Вывод:
На практике понял механизм реактивного движения: В воде происходит реакция: капелька масла или моющего средства растекается и выходит назад по соплу, что заставляет двигаться наш «космический корабль».
Для достижения большей скорости для предложенной модели оптимально топливо «Ферри», так как достигается превосходство в скорости в 2,7 раза.
Выбор топлива для космических челноков не простая задача, требующая инновационных научных исследований, испытаний во избежание катастроф.
Тема: Исследование зависимости скорости движения оболочки «корабля» от скорости газа.
Цель: Определить скорость движения воздушного шарика при реактивном движении, и её зависимость от скорости выбросов газа.
Оборудование:
маленький воздушный шарик
полая
зажим (или прищепка)
клейкая лента
два стула
-3 м бечевки
Секундомер
Линейка
Ход работы.
Надуваем красный шар до максимума, что сразу привело к неудаче (шар лопнул).
Надуваем зелёный шар (не полный объём) и закрываем его с помощью зажима.
Прикрепляем на шарик трубку от шариковой ручки с помощью клейкой ленты.
Между спинками стульев натягиваем бечевку, предварительно продев через соломинку, зафиксированную на шарике. Максимальная длина верёвки - 2,8 м.
Удаляем зажим. Воздух выходит, и шарик перемещается по длине бечевки. Засекаем время движения и измеряем расстояние, которое прошёл шарик.
Повторяем опыт с полным объёмом воздуха в шарике. Увеличение скорости выбросов газа достигается путём увеличения объёма воздуха в шарике.
Таблица 2
| № | Уровень объёма воздуха в шарике | S, м | t, с | U, м\с |
| Максимальный объём (красный шар) | Разрыв оболочки | |||
| Не полный объём (зелёный шар) | 1,5 | 1, 2 | 1,25 | |
| Полный объём (зелёный шар) | 2,8 | 2,8 |
Uш
г
Рис.1
ракетостроение гиперзвуковой двигатель корабль
Определил скорость реактивного движения воздушного шарика. От скорости выхода газа зависит скорость оболочки шарика. Скорость воздушного шарика может достигать 2,8 м/с и более.
Скорость движения оболочки воздушного шарика прямопропорцианальна объёму заполнения шарика и скорости выбросов газов. Uш ~Uг
Не правильный расчёт объёма «топлива» легко приводит к катастрофе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные проблемы, которые являются причинами космических катастроф
| Проблемы | Мои предложения | |
| Экономические проблемы | ||
| 1.1 | Расходы на конструкцию многоразового корабля превышает 2 миллиарда долларов, что не соответствует бюджетам многих европейских и других стран. | Более активно использовать новый рынок космического туризма. Использовать корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа, такие как европейские «Гермес» или, что нам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, выводятся в космос обычными одноразовыми ракетоносителями. К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске, что является несомненным достоинством. Для России оптимально применение многоразовых крылатых ступеней. |
| 1.2 | Стоимость ремонтно-восстановительных работ достигает половины стоимости производства многоразового челнока. | |
| 1.3 | Дорогое обслуживание уникальной керамической теплозащиты. | |
| 1.4 | Для повторного использования твердотопливных ускорителей необходимы дорогостоящие поисково-спасательные операции. | |
| Технические проблемы | ||
| 2.1 | Неисправности в системе ориентации при включении тормозной двигательной установки | |
| 2.2 | Авария ракеты-носителя при запуске. | |
| 2.3 | Огромные затраты на реконструкцию концепции необычного двигателя. | Нужно продолжать разрабатывать двигатели с абсолютно новыми уникальными параметрами, и больше доверять молодым учёным, их идеям. |
| 2.4 | Технические проблемы при проектировании. | При проектировании не перегружать конструкцию избыточными, как у Шаттла, функциями. Это позволит существенно упростить и облегчить корабль. |
| 2.5 | При экономии топлива, увеличивается масса конструкции. | Для компенсации роста массы использовать сверхлегкие и сверхпрочные конструкционные и теплозащитные материалы. |
| 2.6 | Для носителей с горизонтальным стартом придется строить отдельные высококлассные аэродромы. | Развитие науки ещё не на том уровне, чтобы построение аэродромов было экономически выгодно |
| 2.7 | При вертикальном запуске и посадке затрудняется точный заход на посадку и ведет к росту перегрузок при спуске. | |
| 2.8 | Сложность расчетов газодинамических процессов при гиперзвуковых скоростях требуют проведения дорогостоящих натурных летных экспериментов - запусков. | Для этого нужны жаропрочные материалы, стойкие к окислению при больших скоростях, а так же оптимизированная система топливоподачи и охлаждения в полете. |
| 2.9 | Недостаток гиперзвуковых двигателей - они не могут работать со старта, аппарат до сверхзвуковых скоростей надо разгонять другими, например, обычными турбореактивными двигателями, которые работают только в атмосфере, так что для выхода на орбиту понадобится ракетный двигатель. Необходимость ставить несколько двигателей на один аппарат значительно усложняет конструкцию воздушно-космического самолета. | |
| 2.10 | Сбой компьютеров. Засорение туалета. Повреждение обшивки. | |
| 2.11 | Утечка топлива. | |
| 2.12. | Возгорание кольца из синтетической резины, герметизирующего сегменты ракеты-носителя. | |
| «Человеческий фактор» | ||
| 3.1. | Многоразовый челнок работает только в пилотируемом режиме, что увеличивает риск катастрофы из-за «Человеческого фактора» | На случай внештатной ситуации использовать беспилотную конструкция будущих челноков. |
| 3.2 | Лёд, образовавшийся на стартовой площадке на кануне запуска, которому не придали значение. | Я считаю, что «человеческий фактор» никогда невозможно исключить. Людям свойственно ошибаться. Нужен жёсткий контроль со стороны государств за всеми этапами запуска космических челноков. От проектирования, конструирования, экспериментальных полётов, до возращения космонавтов на Землю. Для этого нужны только высококвалифицированные кадры, которые бы были одной командой, даже если работают на разных концах Земли. |
| 3.3 | Стрела подъёмного крана случайно повредила внешнюю изоляцию топливного бака. | |
| 3.4 | Не согласование действий служб, обеспечивающих полёты в космос. Управляющий полетами и директор даже и не слышали, что инженеры возражали пропив запуска челнока. | |
| 3.5 | Политические интриги, когда экономическая несостоятельность не берётся во внимание, и начинается гонка в освоении космоса, вопреки безопасности полётов. |
Рис. 2
Поставив перед собой цель: исследовать космические катастрофы, я проанализировал литературу. Сравнил технические данные спутников на ранней стадии развития космонавтики, космические челноки настоящего времени, будущие проекты и их перспективы. На практике проверил выполнение основных законов реактивного движения. Я пришёл к выводу, что основной причиной катастроф являются технические недоработки.
Я считаю, что катастроф можно избежать, если использовать одноразовые челноки. И в финансовом отношении это тоже выгодно, т.к. многоразовые челноки оправдывают финансовые затраты только при сотнях полётах. Значит пока одноразовые челноки, на мой взгляд, самые удобные на данном этапе развития науки. Нужно продолжать создавать и испытывать новые теплозащитные материалы, а так же двигатели с уникальными параметрами, работать с людьми, чтобы не было «Человеческого фактора». Финансовые затраты не должны быть главными, так как безопасность полётов - должна быть ведущей целью, и никакие деньги не возместят человеческие жертвы, ни какие деньги не заменят отцов и мужей осиротевшим семьям.