再利用性。飛行後、ロケットはどのようにして無傷で戻ることができますか？

私たちの国で再利用可能なミサイルを作る問題が長い間真剣に考えられてきたことを知っている人はあまりいません。伝説が言うように、かつて、ソユズ型発射車のサイドユニット（おそらくそれはモルニヤでもあった、それはその本質を変えない）は非常にうまく着陸した。通常、ブロックはエンジンが下がった状態で落下し、その後、タンクが下がった状態で、エンジンが上がった状態で、異常な方法で落下します。木が触れたのかもしれないし、突風が吹いたのかもしれないが、はっきりしていない。しかし、事実自体は事実のままであり、エンジンはその外部特性によると優れた状態でした。興味を引くために、ミサイルユニットの残骸から取り外され、通常のテストスタンドに置かれ、正常に動作しました。その後、ミサイルとエンジンの再利用性は空想ではなく現実であるという考えが業界全体に広まりました。彼らは「TsSKB-進捗状況」と言いますD.I. Kozlovが率いる、「Rise」テーマの枠組みの中で再利用可能なロケットユニットのアイデアを積極的に推進しました。このテーマは、V.F。Utkinが作成を計画した「Energy-Buran」プログラムとその派生物である「Zenith」発射車両を支持して縮小されました。彼らの発射車の家族。これが物語です。一般に、再利用可能なロケットの歴史とこの分野の意思決定の理論については、適切なアプローチでフィクション小説に引き込む良い本を書くことができます。しかし、私の目標は、ミサイルユニットの再利用性を確保するためのスキームとは何か、それらが使用される理由、それらが互いにどのように異なるか、そしてそれらのニュアンスは何かについて話すことです。



再利用可能なロケットについて話す人は皆、主に飛行機に触発されていると思います。これらの翼のあるマシンは活発に飛行し、非常に信頼性が高く、膨大なリソースを備えています。また、ロケットとは異なり、チケットを簡単に購入して、どこにでも飛ぶことができます。したがって、多くのサイエンスフィクション作家、映画製作者、デザインエンジニアは、再利用可能なロケットとして翼のある飛行機またはロケットを描きます。少なくとも最初のステージは飛行機に沿ってコスモドロームに着陸します。これは、誰もが最大限に達成されたことに基づいて構築しようとする古典的なアプローチです。ミサイルが安全で健全な状態に戻るために何が必要かを理解してみましょう。

雰囲気に入る

発射車両が衛星を軌道に乗せるためには、衛星（および最終段階）に7800 m / sの範囲の速度を通知する必要があります。これを理解するには、正確な値ではなく、番号の順序が必要です。同時に、最初のステージは、発射車両の構成に応じて、1600〜3800 m / sの範囲の速度を発生させます。したがって、地球に戻るとき、ロケットユニットはそれが分離したのとほぼ同じ速度で大気に入ります。これが私たちの初期条件と言えます。ロケットユニットが大気圏に入ると、大気抵抗が発生し、機械的ストレスと加熱が発生します。機械的負荷（高速ヘッド）は速度の2乗に比例し、加熱（熱流）は速度の3乗に比例します。この場合、速度ヘッドと熱流束の両方が大気の密度に正比例します。これらは最も重要な関係です大気圏に侵入して飛行する方法を決定します。そして、単純なアプローチを使用して増加する負荷（構造の質量の増加）を補償する場合、増加する熱流束をこの方法で補償することはできません。構造が単位時間あたりに知覚できる熱流束は、構造の使用されている材料またはその外面によって一意に決定されます。高速では、従来の構造材料は単に溶けるだけです。しかし、彼らはこの状況から抜け出す方法を見つけました。たとえば、アブレーティブ熱保護は、降下および再突入宇宙船に積極的に使用されています。構造の使用材料またはその外面によって一意に決定されます。高速では、従来の構造材料は単に溶けるだけです。しかし、彼らはこの状況から抜け出す方法を見つけました。たとえば、アブレーション熱保護は、降下および再突入宇宙船に積極的に使用されています。構造の使用材料またはその外面によって一意に決定されます。高速では、従来の構造材料は単に溶けるだけです。しかし、彼らはこの状況から抜け出す方法を見つけました。たとえば、アブレーティブ熱保護は、降下および再突入宇宙船に積極的に使用されています。





着陸後のソユズ型降下車着陸後の





アポロコマンドモジュール



写真は、ヒートシールドが焼けて運び去られている様子を示しています。これらはその主な特性です-エネルギーを蓄積し、運び去られます。これは水と非常によく似ており、沸騰と蒸発により、厳密に定義された温度を維持します。しかし、これは再利用可能なテクノロジーではありません。このような遮熱材は非常に高価で、重量が大きく、飛行のたびに復元または交換する必要があります。 VA TKSは、「蒸発」後のアブレーティブ熱保護の回復技術さえも考案しました。しかし、このテクノロジーは非常に高価であることが判明し、いくつかの理由でそれ以上進まなかった。



米国ではスペースシャトル用に、そして後にソ連ではブラン宇宙船用に、軽量化と再利用性を確保するためにカーボンカーボンとシリコンの遮熱材が開発されました。





「ブラン」宇宙船の遮熱コーティング



これは、車両にグライダー形状を使用することで可能になりました。単位重量あたりの表面積が大きいため、車両は大気の希薄な層の速度の一部を消滅させ、より低い速度で高密度の層に入りました。そして、大気圏に入る際の空力特性を利用して、装置は垂直速度を水平速度に変換し、これにより徐々に高さを下げました。これら二つの要因のおかげで、単位面あたりの熱流束を減らすことができ、それは周囲の空間への放射熱放射と相まって、これらの材料を使用することを可能にしました。これに加えて、グライディング降下により、グライダーが経験する機械的負荷と過負荷を減らすことができました。研究所では、カーボンカーボンタイルとクォーツタイルが優れた結果を示しています。それらは、必要な熱流束と積極的に放射された熱を効果的に封じ込めました。熱伝導率が低いため、宇宙船の構造は許容限界を超えて加熱せず、その強度特性を保持していました。しかし実際には、使用される材料は、それらの製造および適用（接着）の技術的プロセスに準拠することを非常に要求していました。最も重要な問題は材料の脆弱性であり、設計中に数学モデルで評価されることはありませんでした。たとえば、クォーツタイルは指で簡単に押し通すことができます。カーボンカーボンタイルは端が簡単に欠けていました。また、大気の密な層を飛行するとき、石英タイルはほこりの粒子から大きな侵食効果を受け、その後の修復が必要でした。一部のタイルは、操作中に単に脱落しました。これらすべてが、稼働中のこの遮熱コーティングが、アブレーションタイプの遮熱よりもはるかに高価になっているという事実につながっています。さて、2003年2月1日に熱保護の損傷により発生したスペースシャトルコロンビアの災害を誰もが覚えているでしょう。最初（または最後）の飛行後、ブランは遮熱コーティングの深刻な焼損も発生しましたが、幸いなことにそれほど重要ではありませんでした。



では、どのようにして熱加熱の問題を回避するのでしょうか？また、ここでも、熱流束は立方体の速度に比例することを覚えておく必要があります。上で書いたように、最初のステージの速度は最後のステージの3分の1になります。これは、大気圏に入ると、第1段加速器のロケットブロックが軌道速度で下降するブロックよりも27分の1の強度で加熱できることを意味します。つまり、大気に入る物体の速度を下げる必要があります。残念ながら、空力形状や空力効果により、それほど急激に速度を落とすことはできません。速度を落とすか、単に最初のステージほど速度を上げないようにする必要があります。計算によると、滑走車両が最大2500 m / sの速度を発生した場合、それほど大きな加熱は発生しません。特別な遮熱材を使用する必要があります。この場合、チタン合金は、翼のフェアリング、エッジ、およびすべての熱ストレスのある場所で使用する必要があります。



精巧な装置のその後のブローは、速度をさらに大幅に下げるか、エッジ、フェアリング、および同様の場所の熱ストレスを減らす空力形状を選択することをお勧めします。古典的なロケットブロックの場合、この速度の値はさらに低くなります。これは、大気の密な層に非常に集中的に突入するためです。計算結果と実際の飛行結果に基づいて、ロケットユニットは1200 m / sの範囲の進入速度で特別な保護を必要としないことが判明しました。 1400 m / sの領域の速度では、特殊な耐火材料の局所塗布または熱保護が必要です。ここでは、古典的なロケットユニットの速度の必要な減速が非常に重要であり、そのような飛行速度でロケットユニットを分離することは非常に非効率的であることがわかります。それで、抜け道は何ですか？そして非常に簡単です-大気に入る前にエンジンにブレーキをかけるために、1200〜1400 m / sの範囲の進入速度を提供します。全体的な問題は、分離と大気圏への侵入の速度の違いにあります。このような減速のための燃料の必要性は、Tsiolkovskyの式を使用して非常に正確に見積もることができ、減速時間に重力損失を追加します。

ソフトランディング

ここでは、再利用可能なロケットユニットの大気圏への再突入の問題について簡単に説明しました。そして今、過熱せず、無傷で安全な構造を維持するソフトランディングの問題について簡単に説明します。もう一度翼のある構造から始めましょう。おそらく多くを説明する必要はありません。誰もが飛行機が着陸するのを見たに違いありません。これは同様のスキームですが、注意点が1つあります。このような車両は飛行機ではないため、水平方向の着陸速度が非常に速く、長くて高品質の着陸帯が必要です。Sheremetyevoのように通常のレーンでは、このようなデバイスはクラッシュする可能性があります。翼のある車を整理したと思います。



しかし、古典的なロケットブロックはどうですか？着陸時に構造物が損傷しないようにする必要があります。パラシュートまたはエンジンブレーキを使用して、ロケットユニットをゆっくりと水中に降ろすことができます。





フローティングファーストステージブースターFalcon-9



水に着陸するこのオプションは、誰にとっても良いようです。しかし、いくつかの問題と実際には解決できないタスクがあります。すべての発射車両が、ブロックが水面上に落ちるエリアに飛行経路を持っているわけではありません。たとえば、バイコヌールコスモドロームから起動する場合、そのようなことはまったくできません。ボストチニーコスモドロームからは非常に問題があります。海水と接触すると、多くの合金や材料がかなり早く分解し始めます。水自体が、多くの機械的および電子的システムの性能を混乱させる可能性があります。ブロック乾燥と塩の堆積物の洗浄の問題があります。水と接触すると、高温の構造要素はひび割れや過硬化効果の影響を受けやすくなります。そして最終的に、ピッチングは設計外の負荷を追加します。これらすべての要因を考慮すると、水への着陸は通常、専門家によって考慮されていません。そしてそれが考慮されるならば、彼らはすぐにこの考えを放棄します。ロケットユニットを陸上または沖合のプラットフォームに着陸させることは残っています。



プラットフォームは、ピッチングとドリフトに関する問題を追加します。しかし、効果的な安定化システムにより、ミサイルユニットのプラットフォームは実質的に乾燥した土地になります。そのような安定化システムの開発は追加ですが、かなり解決可能なタスクです。





SpaceXオフショアランディングプラットフォーム



次に、着陸方法を決める必要があります。通常、最初に提供されるのはパラシュートです。彼は誰にでもなじみがあり、理解しやすく、なじみがあります。パラシュートは、許容可能な面積と質量で、降下速度を約8〜12 m / sに下げることができます。しかし、彼はソフトランディングを行うことはできません。これには、追加のブレーキモーターとショックアブソーバーが必要です。使用できるのはショックアブソーバーのみです。ショックアブソーバーの助けを借りて、8 m / sの速度で2gの過負荷のロケットユニットを着陸させたい場合、理想的には1.63メートルのショックアブソーバーストロークが必要です。必要な衝撃移動は、沈下率の2乗に比例し、過負荷に反比例します。ちなみに、計算式は省エネの法則から簡単に導き出せます。運動エネルギーをポテンシャルと同一視する必要があります。しかし、パラシュートを続けましょう。パラシュートには1つの悪い特性があります。



古典的なキャノピーパラシュートは正確な着陸を提供しません。それを備えたプラットフォームは役に立たず、地面ではロケットはハンモックや森に着陸します。ミサイルユニットの完全性を維持するには、ミサイルユニットをすべてのサポートに垂直または横に均等に着地させる必要があります。その後、彼は転がったり、転んだり、転がったりしてはいけません。これは、準備が整っておらず、平準化されていないサイトでは機能しません。多くの人が、SpaceXのバージ安定化アルゴリズムの不完全さがロケットユニットのその後の落下にどのようにつながったかを覚えています。曲面でも同じです。横向きに置いた場合でも、Energia発射車両のサイドユニットのテスト中のように、湾曲したプラットフォーム上のミサイルユニットは単に壊れます。





LV「エネルジア」のサイドユニットの返却スキーム（http://www.buran.ru）



ブロックを落とすテストは、着陸中に、その後の使用を意味しない損傷を受けたことを示しました。残りの飛行段階をテストすることすらできませんでした。



これを知って、開発者はガイド付きウィングパラシュートを積極的に提供し始めました。これにより、理論的には正確な場所に負荷を下げることができます。しかし、そのような開発は、急速に変化する環境条件（風、突風など）の下での制御アルゴリズムの不完全さに直面します。今SpaceXフェアリングフラップを下げるためにこの技術を積極的にテストしています。ガイド付きパラシュートに加えて、彼らは巨大なネットを備えた船を使用し、サッシを捕まえるために絶えず動きます。最近まで、結果は特にポジティブではありませんでしたが、絶望的でもありませんでした。そして最近では、フェアリングフラップがますますネットに巻き込まれています。





フェアリングフラップ



をキャッチするためのSpaceX船パラシュートロケットユニットのソフトランディングの問題を解決するために、私の同僚、S.V。アントネンコとS.A.パラシュートロケットユニットのヘリコプターピックアップであるベラフスキーが提案された。





ロケットユニットのヘリコプターピックアップのスキーム



このスキームの利点は、準備されたサイトについて考える必要がなく、着陸装置（ショックアブソーバー）に追加の質量を費やす必要がないことです。さらに、世界中のパラシュートオブジェクトをピックアップするためのスキームは十分に開発されており、大きな問題は発生しません。海上でのピックアップが必要な場合は、オフショアプラットフォームを使用できます。このスキームの制限は、ロケットユニットの質量とヘリコプターの運搬能力です。したがって、世界最大のヘリコプターMi-26は16トン以下を拾うことができます。アンガラファミリーのミサイルのロケットユニットの重量は約11トンですが、ファルコン-9発射車両のロケットユニットの重量はすでに23トンです。



パラシュートは終わったと思います。パラシュートなしでどうやってできるの？このために、着陸前にロケットユニットを1〜2 m / sのオーダーの速度に減速するエンジンを使用できます。より正確に着陸するのは難しいですが、将来的には0.5m / s以下で話せると思います。最後のパン粉は小さな衝撃吸収材で湿らせる必要があります。このスキームでは、ブレーキインパルスを発するときに、準備された場所に着陸し、ロケットユニットを正しい方向に向ける必要があることに留意する必要があります。つまり、制御と安定化が必要です。技術開発のこの段階では、このような制御システムは特に問題にはなりません。制御、ガイダンス、着陸のアルゴリズムも作成と開発に適しています。そして、ガスジェットエンジンと空力ラダーの形での制御はすでに古典になりつつあります。ランディングショックアブソーバーも今日非常によく開発されており、少なくとも2つのバージョンで機能します。SpaceX社とブルーオリジン。また、この着陸方法では、速度と角速度の水平成分を減衰させるタスクがあります。しかし、これもすべて解決可能であり、うまくいきました。





ファルコンヘビーLVサイドブロック



の着陸このような着陸（着陸）スキームはすでに十分に開発されており、解決できない問題を隠蔽していないことがわかります。

どこにもありません

おそらく着陸方法がすべてです。しかし、どのようにして特定のエリアまたは準備されたサイトにいるのでしょうか。先ほど書いたように、空力特性により、翼のあるグライディングタイプの航空機は、垂直方向の速度を水平方向の速度に非常にうまく変換します。したがって、彼らはしばしば自分で着陸帯に到達します。また、飛行範囲が十分でない場合は、追加のエアジェット航空機エンジンが使用されます。



古典的なスキームのロケットブロックには、空力ラダーを取り付けて範囲を調整する機会がほとんどありません。また、熱フラックスを減らすためにブレーキインパルスが適用されたときに範囲を調整することもできます。しかし、多くの場合、そのような範囲では不十分な場合があります。ロケットユニットがコスモドロームに戻り、かなりの距離を追加で輸送する必要がない場合に、最もロジスティックに魅力的なスキームを見てみましょう。したがって、開始点に戻ってスキームを実装するために、ロケットユニットの分離後、ロケットエンジンの追加のアクティブ化が使用されます。この場合、エンジンは飛行速度を下げると同時に着陸地点への戻り速度を設定するように配置されています。



このような修正インパルスの主な利点は、その後、ロケットユニットが実際に空気のない空間を移動しながらメインレンジを調整することです。このような衝動は、コスモドロームに戻るためだけでなく、ほとんどすべての場所に着陸するためにも使用できます。





Falcon-9の飛行計画



パラシュートを備えたロケットユニットの場合、特にロケットエンジンの補正インパルスとブレーキインパルスの組み合わせ、および空力ラダーの制御を使用することも可能です。ただし、パラシュートの動作中は、最大数キロメートルまでランダムエラーが発生することに注意してください。私は制御されたパラシュートの翼について書きました。

結論

そこで私は、再利用可能なロケットユニットの飛行のすべての段階を確認し、再利用可能なロケットユニットが安全で健全な状態に戻るために、これらの段階で何を、なぜ行うべきかをわかりやすく説明しようとしました。もちろん、実際にはさらに数桁の質問やニュアンスがありますが、私が検討した質問は、再利用可能なロケットユニットの将来の計画の主要かつ決定的なものです。再利用可能なロケットブロックを実装するためのスキームを要約しましょう。私の意見の主なものは次のとおりです。

• 水平方向の航空機着陸を備えた翼のあるブロック。
• ロケットダイナミックランディング。
• パラシュートロケットユニットのヘリコプターピックアップ。

これらは最も実装および開発されたスキームですが、個人的な好みに基づいて独自のスキームを組み合わせることができます。ただし、その後、新しいスキームを慎重に計算して、それが実現可能であり、解決できない問題が発生しないようにする必要があります。それぞれのスキームには独自のニュアンスと実現可能性の限界があることをすぐに予約します。それぞれに、ペイロードの質量、コストの損失、および問題解決の複雑さの独自の損失があります。しかし、それについてはまた別の機会に。