Интересные истории. Ракетные ускорители взлета
8:52 09/04/2018
0 👁 3 383
Национальное космическое агентство США в 2016 году провело тестирование ускорителя двигателя ракеты-носителя Space Launch System в Промонтори, штат Юта.
В ходе теста была достигнута тяга, составляющая 75% от необходимой для вывода ракеты за пределы действия гравитационного поля Земли. За две минуты теста температура внутри двигателей поднялась до 6000 градусов.
К настоящему времени существует много разновидностей ракетных двигателей. Химические, ядерные, электрические, даже плазменные. Впрочем, ракеты появились задолго до того, как человек изобрел первый двигатель. Слова «ядерный синтез» или «химическая реакция» едва ли говорили что-то жителям Древнего Китая. А ведь ракеты появились именно там. Точную дату назвать сложно, но, предположительно, произошло это в годы правления династии Хань (III-II вв. до н. э.). К тем временам относятся и первые упоминания о порохе. Ракета, которая поднималась вверх благодаря силе, возникшей при взрыве пороха, использовалась в те времена исключительно в мирных целях — для фейерверков. Ракеты эти, что характерно, имели собственный запас горючего, в данном случае, пороха.
Следующий шаг был сделан только в 1556 году немецким изобретателем Конрадом Хаасом, который был специалистом по огнестрельному оружию в армии Фердинанда I — Императора Священной Римской Империи. Хаас считается создателем первой боевой ракеты. Хотя, строго говоря, изобретатель не создал ее, а лишь заложил теоретические основы. Именно Хаасу принадлежала идея многоступенчатой ракеты.Ученый подробным образом описал механизм создания летательного аппарата из двух ракет, которые разделялись бы в полете. «Такой аппарат, — уверял он, — мог бы развивать огромную скорость». Идеи Хааса вскоре развил польский генерал Казимир Семенович.В 1650 году он предложил проект создания трехступенчатой ракеты. В жизнь, впрочем, эта идея воплощена так и не была. То есть, конечно, была, но только в ХХ веке, через несколько столетий после смерти Семеновича. Военные, разумеется, никогда не упустят возможность принять на вооружение новый вид разрушительного оружия. В XIX веке у них появилась возможность применить в бою ракету. В 1805 году британский офицер Уильям Конгрив продемонстрировал в Королевском Арсенале созданные им пороховые ракеты небывалой по тем временам мощности. Существует предположение, что большинство идей Конгрив «украл» у ирландского националиста Роберта Эммета, применившего некое подобие ракеты во время восстания 1803 года. Спорить на эту тему можно вечно, но тем не менее ракета, которую взяли на вооружение британские войска, называется ракетой Конгрива, а не ракетой Эммета.
Оружие многократно применялось во время Наполеоновских войн. В России пионером ракетостроения считается генерал-лейтенант Александр Засядко.Он не только усовершенствовал ракету Конгрива, но и задумался над тем, что энергию этого разрушительного оружия можно было бы использовать и в мирных целях. Засядко, например, первым высказал идею, что с помощью ракеты можно было бы совершить полет в космос. Инженер даже точно подсчитал, сколько пороха понадобиться, чтобы ракета достигла Луны.
В 1912 году в Москве был открыт завод по производству авиационных двигателей. Предприятие входило во французское общество «Гном». Здесь создавались, в том числе, и моторы для самолетов Российской Империи в годы Первой мировой. Завод успешно пережил Революцию, получил новое название «Икар» и продолжил работу уже при советской власти.Авиационные двигатели создавались тут и в 1930-е, и в 1940-е, военные, годы. Моторы, которые производились на «Икаре», ставились на передовые советские самолеты. А уже в 1950-е предприятие стало выпускать турборакетные двигатели, в том числе и для космической отрасли.
Как заставить приземляться и взлетать 80 тонный самолет на 105 метровой полосе, если ему необходимо 425 метров для посадки и 550 для взлета? Приделать к нему ракетные ускорители!
4 января 1931 года американский летчик Вильям Сван поднял в воздух над Атлантик-сити легкий планер, снабженный 10 маленькими ракетами. После их запуска он поднялся до высоты 60 м. Позднее он провел серию испытаний в Нью-Мексико ракетоплана с батареей из 12 ракет…
Что касается США, то долгое время Сван оставался чуть ли не единственным чудаком, который отваживался совершать такие полеты. Только в 1940 году калифорнийская Лаборатория реактивного движения разработала серийную систему из 36 твердотопливных ускорителей, которые можно было установить на самолет для выполнения взлета и сбросить после выгорания топлива. Система получила название «JATO» ( (Jet Assisted Take Off)) и широко применялась в годы Второй мировой войны для обеспечения взлета перегруженных самолетов. После войны бомбардировщик «Б-47» («В-47») фирмы «Боинг» стал первым самолетом, в котором система «JATO» являлась штатным элементом оборудования.
Совершенствование турбореактивных двигателей снизило потребность в ракетных ускорителях, а появление форсажных камер вообще закрыло эту тему. Впрочем, на оставшихся в строю самолетах с поршневыми двигателями ускорители применялись еще многие годы.
Пороховые ракеты оказались очень к месту, когда перед конструкторами была поставлена задача безаэродромного взлета. Твердотовливные ускорители устанавливались, в частности, на истребители «Ф-84» («F-84») и «Ф-100» («F-100»). Эти машины взлетали с рельсовых направляющих, установленных под углом к горизонту. При этом как только скорость самолета достигала минимальной требуемой, ускорители сбрасывались.
аналогичные эксперименты проводились во время войны и в послевоенные годы и в Советском Союзе. Ракетные ускорители на жидком топливе приспосабливали к самолетам «Пе-2», «Пе-3», «Ла-7», «Ла-120», «Як-3», «Су-6» и «Су-7». Создавались и специальные ракетопланы: истребитель «302» и перехватчик «БИ». Ни одна из этих машин так и не приняла участие в боевых действиях. Больше других повезло самолету «Ла-120Р» – ему разрешили принять участие в воздушном параде, состоявшемся 18 августа 1946 года в Тушино. Управлять этим скоростным самолетом (максимальная скорость достигала 805 км/ч) доверили летчику-фронтовику Александру Давыдову.
Несовершенство жидкостно-ракетных двигателей и необходимость таскать на самолете баки с жидким кислородом или другими окислителями в конечном итоге привели к закрытию этого направления в советском авиастроении – предпочтение было отдано турбореактивным двигателям, которые берут свой окислитель из воздуха.
Однако, как и в США, в военной авиации довольно долго использовались пороховые ускорители. Так, в 1960 году на базе «Су-7Б» был создан самолет «С-25». На нем для уменьшения взлетной дистанции применили два сбрасываемых пороховых ракетных ускорителя «СПРД-110». Установка ускорителей предусматривалась и для серийного образца бомбардировщика «Ил-46».
Но самый интересный взлет с использованием ускорителей был произведен 13 апреля 1957 года. В тот день состоялись испытания системы безаэродромного старта, разработанные в конструкторском бюро Микояна и Гуревича для сверхзвукового истребителя «МиГ-19». Одной из главных задач этих уникальных запусков было выяснить, не утратит ли пилот под воздействием кратковременной, но значительной перегрузки (4–5 g) способность к управлению самолетом.
Самолет устанавливался на направляющие специального катапультного устройства. Затем начинал работу сбрасываемый твердотопливный ускоритель – в момент схода с направляющих скорость самолета составляла 107 км/ч, а в момент сброса ускорителя (через 2,5 секунды после начала его работы) – уже 370 км/ч.
Все запуски, осуществленные летчиками-испытателями Георгием Шияновым и Сергеем Анохиным, были успешными. Анохин даже стартовал в перегруженном варианте с двумя 76-литровыми подвесными баками и двумя блоками реактивных снарядов под крылом и показал, что: «Взлет с пусковой установки несложен и не требует от летчика каких-нибудь дополнительных навыков».
LC-130, 109 AW, использует JATO (взлет с помощью струи ракеты) для взлета на льду. Апрель 2003 года Ледник Гренландии Тодд Valentic
B-47B JATO launch
А вот интересная история из США 2010 года :
Патрульные Аризоны были озадачены, когда обнаружили останки крушения гораздо выше уровня дорожного полотна, в скале, венчавшей начало поворота. Характер аварии напоминал авиакатастрофу с той лишь разницей, что металлические останки являли собою обломки автозапчастей. И только привлечение специалистов помогло восстановить цепь событий.
Бывший сержант ВВС США неустановленным путем заполучил ракету JATO (Jet Assisted Take Off). JATO — топливные ракеты, используемые тяжелыми транспортными самолетами ВВС для того, чтобы придать дополнительное реактивное ускорение на коротких взлетных полосах. Сержант выбрал подходящий прямой участок дороги в аризонской пустыне для проведения испытаний, вмонтировал JATO в Шевроле Импала 1967 года и зажег. Следствие установило, что водитель включил реактивное ускорение за 3,9 миль до места крушения, о чем свидетельствовали следы «тающей» резины покрышек автомобиля. Транспортное средство достигло скорости от 250 до 300 миль в час и продолжало движение с этой скоростью около 20-25 секунд. Преодолев 2,6 мили, пилот решил воспользоваться тормозом, но к тому моменту контакта покрышек с дорожным полотном почти не было.
Сержант оставил метровой глубины кратер в скале, а от себя оставил лишь зубы и фрагменты костей. Забавно, что на заднем бампере был наклеен стикер «Нравится как я вожу? Позвони 1-800-EAT-SHIT»
C-130
Наши дни: полет с включением ракетного двигателя, со стартом с самолета носителя
4 апреля испытания второго суборбитального космоплана SpaceShipTwo, VSS Unity, успешно прошли важный этап – после отделения от носителя двигатель включили, и аппарат разогнался до 1,87 скоростей звука, поднявшись на 25,7 км. Это больше, чем получилось достичь на испытаниях первого корабля до катастрофы в 2014 году. Virgin Galactic выложила уже два видео полета, на которых можно рассмотреть любопытные детали.
VSS Unity является вторым кораблем SpaceShipTwo. Первый, VSS Enterprise, потерпел катастрофу 31 октября 2014 года, в которой погиб второй пилот, Майк Олсбери. Это отбросило программу испытаний на годы, при том, что разработка суборбитального космоплана к тому времени и так задерживалась на много лет. Расследование показало, что причиной катастрофы стала ошибка экипажа, возникшая в условиях недоработки конструкторов и проблем с документацией и процессами испытаний – второй пилот разблокировал замки системы торможения слишком рано, и приводы хвостовых балок не справились с аэродинамическими нагрузками. На какой-то момент даже возник вопрос, сможет ли Virgin Galactic вообще оправиться от этого удара, но компания нашла силы и ресурсы, чтобы достроить второй экземпляр корабля, в котором, как было объявлено, устранили недоработки, способствовавшие катастрофе. Теперь система управления не позволяет преждевременно разблокировать механизм торможения.
В злополучном полете 2014 года испытывался новый вид топлива. Дело в том, что в первой версии суборбитального космоплана, SpaceShipOne, который успешно поднимался до высоты 100 км в 2004 году, стоял гибридный ракетный двигатель, использующий полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) в качестве топлива и закись азота в качестве окислителя. HTPB по консистенции похож на резину и горит не совсем равномерно. Возникала тряска, которая была терпима на маленьком SpaceShipOne, но стала опасной на большем по размерам SpaceShipTwo. В полетах VSS Enterprise двигатель включали максимум на несколько секунд. Топливо решили заменить на твердый полиамид. Однако испытания провести толком не удалось – первый же полет с новым топливом закончился катастрофой. Двигатель был ни при чем, тем не менее, в 2018 году на VSS Unity решили вернуться к старому топливу – HTPB. Похоже, что за прошедшие годы инженеры нашли какой-то способ сделать тряску от неравномерного горения приемлемой.
Полет 4 апреля стал двенадцатым в программе испытаний, идущих с 2016 года. Четыре раза VSS Unity поднимали на носителе без отделения. Семь раз космоплан сбрасывался и планировал, совершая посадку самостоятельно. В девятом полете на борт взяли 450 кг воды в качестве балласта и стали сливать ее, меняя в полете центровку аппарата. В одиннадцатом сразу после отделения VSS Unity направили в крутое пике, достигнув скорости 0,9 звуковой.
Интересной особенностью полета стало выполнение полупетли – аппарат все увеличивал угол тангажа, пока не оказался вверх ногами. Скорее всего, такой маневр будет использоваться для того, чтобы продемонстрировать пассажирам красоты Земли с высоты – в потолке кабины окна есть, а в полу – нет.
Любопытно, что из видео вырезан красивый момент торможения путем складывания хвостовых балок.
Но разводить конспирологию о том, что торможения не было в реальности, нет смысла. Еще на первом космоплане аэродинамические расчеты были проверены в реальном полете – аппарат плавно набирал скорость с выключенным двигателем и разблокированными балочными замками. Приводы хвостовых балок не могут удержать их, начиная с определенной скорости и нагрузок, и колебания балок были зарегистрированы в примерно расчетный момент времени.
В этом видео показан полёт 4 мая 2011 года.SpaceShipTwo впервые продемонстрировал свою уникальную конфигурацию ‘feather’.
На сегодняшний день среди компаний, предлагающих услуги суборбитального туризма, есть два явных лидера – Blue Origin с кораблем New Shepard и Virgin Galactic со SpaceShipTwo. До сих пор ни одна компания не начала возить туристов, и, несмотря на катастрофу и задержку в несколько лет, Virgin Galactic не вылетела из гонки. Blue Origin абсолютно не торопится и предпочитает провести полноценный цикл испытаний. Если сравнивать корабли, получается довольно забавно – New Shepard безопасней и в целом лучше спроектирован (у него даже иллюминаторы по-настоящему огромные). Но у SpaceShipTwo есть неуловимая харизма крылатого аппарата и притягательная сумасшедшинка конструкций Берта Рутана. Хочется надеяться, что рынок суборбитальных пусков окажется достаточно большим для обоих аппаратов, но на этот вопрос ответит только практика, пока что возможны любые варианты от десятков компаний, запускающих туристов почувствовать несколько минут невесомости, до полной невостребованности услуги как таковой.
А сколько вы готовы заплатить за суборбитальный космический полет?