Гибкий.ру Аккаунт удален — блог на dtf
null
Классические разгонные блоки
Специализация для работы в космосе сказывается на особенностях облика и конструкции разгонных блоков. Космическая ступень — это сферические и тороидальные топливные баки в разных сочетаниях, иногда несколько сфер объединяют в тор, иногда один тор размещают под одной сферой.
Топливные пары используются разные — как с криогенными компонентами, так и высококипящие. Главный двигатель обычно один, с небольшой тягой по сравнению с разгонными ступенями (первые тонны силы). Плюс система ориентации, система стабилизации, система обеспечения запуска двигателя в условиях невесомости, система управления полетом, бортовая электросеть с питанием.
Запаса энергии аккумуляторов должно хватить на поддержание ориентации (гиродинами – силовыми маховиками) во время всего рабочего полета разгонного блока, до отделения груза. У разгонных блоков нет панелей солнечных батарей, потому что время работы в космосе небольшое, и может происходить в теневой зоне Земли.
Масса заправленных разгонных блоков варьируется от сотен килограмм до пары десятков тонн и больше, и определяет их баллистические возможности и массы «пассажира» — полезной нагрузки. Стоит коротко взглянуть на конкретные образцы, чтобы ощутить диапазон параметров разгонных блоков.
Новые разработки, новые поколения
В сегодняшней космонавтике стремительно развивается частная компонента; еще немного — и она может начать определять облик космических средств и задавать основные пути космонавтики. Неспроста возникло и все шире используется понятие Нового космосa («The New Space»), подобно начинающей проступать долгожданной Новой физике.
Одновременно происходит миниатюризация космических аппаратов благодаря развитию технологий. Совмещаясь с ростом количества космических игроков, она приводит к увеличению количества полезных нагрузок в одном запуске. И вовсе не все они занимают одну и ту же орбиту.
28 сентября 2020 года с космодрома Плесецк запустили ракету «Союз-2.1б» с разгонным блоком «Фрегат». Полезная нагрузка — блок аппаратов «Гонец-М» № 16 и кластер из 19 малых спутников от разных заказчиков. «Фрегат» поработал красиво и с размахом по наклонению.
Сперва он вывел «Гонцов» на круговую орбиту с высотой 1 500 км и наклонением 82,5° (как видим, 7,5° осталось до полярной орбиты). Затем «Фрегат» за два часа понизил высоту орбиты на 925 км и увеличил ее наклонение до 97,67°, «провернув» на 7,67° за полюс.
Таким образом, наклонение новой орбиты увеличилось более чем на 15°. На получившуюся солнечно-синхронную круговую орбиту с высотой 575 км «Фрегат» выпустил остальную мелкую нагрузку. Показав уникально большой диапазон наклонения орбит разных полезных нагрузок в одном пуске.
24 января 2021 г. c мыса Канаверал запущена ракета Falcon 9 с полетным заданием Transporter-1. По солнечно-синхронной орбите высотой 532 × 538 км и наклонением 97,5 полетел десяток спутников Starlink и 133 аппарата для 24 заказчиков, всего 143 спутника — это рекорд по количеству выводимых аппаратов в одном пуске.
Для отделения столь многих спутников использовалась отделяемая орбитальная платформа-носитель SHEPRA-FX, разработанный Andrews Space, дочерней компанией Spaceflight Industries, и специализированная к применению на ракетах Falcon 9. Этот вариант платформы не имеет двигателя, и обеспечивает получение телеметрии и связь со всеми выведенными спутниками.
Работа космического буксира
Главное дело у буксира одно: он изменяет вектор скорости (своей и полезной нагрузки). То есть меняет величину и/или направление скорости. Это приводит к изменению высоты движения, формы орбиты, ее наклонения к плоскости экватора Земли, ее вытянутости и ориентации в пространстве относительно звезд. Добавкой скорости можно изменить тип орбиты — из эллиптической околоземной превратить ее в незамкнутую гиперболу убегания.
Обычно ракета выводит груз на низкую орбиту высотой 185-200 км, лишь бы вытащить его за атмосферу и сообщить ему орбитальную скорость на этой высоте — скорость, при которой полезная нагрузка не падает оттуда. Но космических аппаратов множество, и соответственно у них множество разных полетных заданий.
То есть разных рабочих орбит, на которых они должны работать, и на этих орбитах наилучшим образом выполнять свою задачу. Околоземные орбиты описываются верхней (апогей) и нижней (перигей) точками, вытянутостью (эксцентриситетом), наклонением своей плоскости (к экваториальной плоскости Земли).
Некоторые спутники надо поднять на высокие околоземные орбиты. А кто-то должен покинуть гравитационное поле Земли и отправиться в межпланетное пространство – то есть оказаться на гиперболической траектории, по которой он уйдет из земного тяготения.
Межпланетную траекторию нужно сформировать точно и определенно, с заданной величиной конечной скорости (оставшейся после покидания гравитации Земли — она называется гиперболическим избытком скорости) и ее направлением в пространстве. С этой конечной скоростью межпланетная станция и будет совершать первый этап своего далекого путешествия.
Рабочие орбиты для космических аппаратов становятся целевыми орбитами для маневровых локомотивов — космических ступеней. Сцепленные с полезной нагрузкой и находясь вместе с ней в орбитальном движении, они меняют свою скорость для перехода на целевую орбиту.
Переход этот может происходить не за одно включение двигателя маневрового локомотива, а за несколько отдельных включений, распределенных по точкам орбиты и разделенных определенными промежутками времени. Так делают ради эффективности этих включений, которые производятся в точках апогея и перигея, или в точках узлов, где орбита пересекает плоскость экватора.
Как увеличить высоту круговой орбиты? Например, с высоты 200 км перейти на высоту 20 000 км — или, другими словами, поднять груженую ступень в сто раз, с низкой опорной орбиты на рабочую орбиту спутника GPS? Это делается за два шага. Первый шаг — космическая ступень на орбите 200 км включает двигатель и создает этим разгонный импульс.
Ступень увеличивает свое движение в текущем направлении, увеличивая скорость. Двигатель ориентируют так, чтобы реактивная струя улетала назад по орбите. Тогда орбитальная скорость растет. Полученный импульс (добавочное движение) и приращение скорости приводят к подъему орбиты на другой стороне Земли: тамошняя диаметрально лежащая точка орбиты начинает удаляться от Земли, становясь апогеем и набирая высоту.
По мере того как работает двигатель разгонного блока и растет добавочный импульс и текущая скорость, апогей на другой стороне орбиты поднимается все выше. Наконец, он достиг целевой высоты — 20 000 км (более точно для орбиты GPS — 20220 км). После этого двигатель разгонного блока выключается, первый шаг сделан.
Разгонный блок с полезной нагрузкой покинул низкую круговую орбиту и свободно движется по новой эллиптической орбите, сформированной двигателем и полученным импульсом скорости. Блок поднимается к созданному апогею на высоте 20 000 км, замедляясь там, потом с разгоном спускается оттуда обратно к низкой круговой орбите, чтобы только коснуться ее (эта точка теперь самая низкая в его орбите — перигей) и снова двинуться к апогею. Данная эллиптическая орбита — переходная к высокой круговой, на которую нужно перейти вторым шагом.
Он почти в точности повторяет первый шаг, только теперь в апогее. Там разгонный блок снова включает главный двигатель; его работа опять увеличивает движение блока с грузом, добавляя скорость в попутном направлении. Это теперь поднимает уже перигей на противоположной стороне орбиты.
Когда перигей достигает высоты апогея в 20 000 км, двигатель выключается. Высота перигея и апогея становится одинаковой, они перестают различаться и быть верхней и нижней точками орбиты, а сама орбита становится окружностью на высоте 20000 км над Землей.
Такая схема перехода с одной орбиты на другую называется двухимпульсной и требует двух включений главного двигателя разгонного блока. Эти включения разделены временем путешествия от перигея к апогею (или кратным ему промежутком времени, если двигатель включают не в первое посещение апогея).
Часто нужно менять наклонение плоскости орбиты к экваториальной плоскости Земли. Например, вывести спутник с наклонений наших средних широт на геостационарную орбиту — то есть перевести в экваториальную плоскость и нулевое наклонение. У работы с наклонениями своя оптимальность: импульсы для изменения наклонения лучше делать в точках пересечения орбитой экваториальной плоскости.
Эти точки орбиты называются узлами: восходящий (после которого аппарат уходит выше плоскости экватора) и нисходящий (после которого аппарат уходит ниже плоскости экватора). Причем экономичнее всего давать не один большой импульс в этих точках, а разделять его на несколько меньших включений при нескольких последовательных прохождениях узлов — это сэкономит топливо. Но увеличит число оборотов и время выведения груза на орбиту целевого наклонения.
Включениями главного двигателя и приданием импульсов корректируют и другие параметры орбиты. Поэтому двигательная установка разгонного блока должна обеспечивать несколько включений. А чтобы не растягивать время формирования целевой орбиты, количество импульсов уменьшают до оптимального.
Помимо многократности включений главного двигателя и массы топлива важна точность формируемого движения. Она достигается работой нескольких систем — система измерения движения, система ориентации в пространстве связки буксир–груз, система управления работой основного двигателя, точный контроль его включения и выключения, и пр.
Чем точнее буксир проложит конечную орбиту, тем лучше будет выполнять на ней спутник свою задачу. Или дольше — меньше корректируя орбиту и экономя топливо. Буксир может обеспечивать тепловой режим полезной нагрузки, например, несильно закручивая ее.
Выведение на геостационарную орбиту — типовая задача разгонного блока. Геостационарные условия лежат на огромной высоте, на расстоянии трех диаметров Земли от поверхности, и в нулевом наклонении. Масса груза, которую туда может вывести разгонный блок, стала мерой возможностей космических буксиров.
Чисто космическая конструкция
Космическая ступень чаще не похожа на обычные цилиндры разгонных ступеней (но и такой бывает). И хотя задача космической ступени — тоже разгон полезной нагрузки, ее работа отличается своеобразием, и значительно расширяет возможности ракеты и запуска.
Космическая ступень — это небольшой маневровый локомотив, таскающий грузы по рельсам орбит, переводя их на те или иные направления в пространстве и задавая нужную скорость на этих путях. Названия его разнятся. Разгонные блоки называются иногда космическими буксирами.
Семантическая разница трудноуловима; ведь работа космического буксира и есть разгон груза или его торможение (то есть разгон в направлении, обратном текущей скорости). Физическая суть работы всех разгонных аппаратов одна: изменение скорости полезной нагрузки.
В изменении скоростей — вся баллистика.
Здесь сделаем оговорку. Точного, строгого, научного или конструктивного определения космической ступени нет, в силу широкого спектра ступеней и разнообразия их работы. С одной стороны, раз ступень космическая, она работает в космосе. То есть на высотах выше линии Кармана, обозначающей высоту 100 км (строго говоря, это не линия, а поверхность) и формально назначенной нижней границей космоса.
Однако выше 100 км вполне работают вторые и третьи разгонные ступени ракет-носителей. Поэтому высота выше 100 км не подходит для определения разгонного блока. Вернее было бы определить его в баллистических терминах — разгонный блок начинает свою работу в состоянии уже достигнутого ранее орбитального движения.
При этом есть гибриды верхней ступени ракеты и разгонного блока — например, знаменитый американский космический долгожитель на паровой тяге «Centaur». Он работает на топливной паре жидкий кислород плюс жидкий водород, продуктом сгорания которой является не что иное, как водяной пар.
Именно он вылетает в раскаленном виде из реактивного сопла двигателя, создавая тягу – буквально паровую тягу, делая «Centaur» реальным космическим паровозом. Этот летательный аппарат одновременно и разгонный блок, и верхняя ступень многих ракет-носителей, например «Атласов».
Она выводит полезную нагрузку на низкую опорную орбиту, как обычная верхняя ступень. А затем вторым включением (спустя некоторое время) переводит полезную нагрузку с опорной орбиты на переходную или целевую, вплоть до гиперболических траекторий покидания Земли. И эту часть работы «Centaur» выполняет как классический межорбитальный буксир.
Существуют и специфические разгонные блоки — боевые ступени разведения. Они работают в космосе, но не достигают орбитальных скоростей. Хотя их задача физически неотличима от задачи разгонного блока — перевод полезной нагрузки с текущей траектории на целевую.
Разгон часто производится за несколько включений двигателя, разделенных свободным баллистическим полетом; логика их выстраивания — энергетическая. Включения переводят полезную нагрузку с одной текущей орбиты на другую, словно маневровый тепловоз переводит вагон с одного пути на другой.
Аналогия тем ближе, что слово «орбита», введенное в космический оборот в 1609 году самим Иоганном Кеплером, и означает на латыни «путь», «дорожка», «колея». Дорога в гравитационном поле. Итогом становится вывод полезной нагрузки на ее заданную орбиту — целевую для разгонного блока. Вышел на эту орбиту с заданной точностью — молодец, попал в цель, полетное задание выполнено.