В четвертом номере журнала «Космическая техника и технологии», выпускаемом РКК «Энергия», вышла статья, посвященная истории выбора посадочной системы пилотируемого транспортного корабля нового поколения. Авторы статьи – первый заместитель генерального конструктора корпорации Николай Брюханов, начальник отдела Сергей Четкин и инженер Наталья Антонова.

В 2011 году РКК «Энергия» приступила к эскизному проектированию нового пилотируемого корабля. Сообщалось, что одним из требований технического задания была многоразовость. Планировалось, что спускаемый аппарат нового корабля можно будет использовать не менее 10 раз. Для обеспечения мягкой посадки планировалось вместо парашютной тормозной системы использовать реактивную. По мере написания эскизного проекта, разработчики отказались от полностью реактивной посадки, предложив на первом ее этапе использовать парашют. Наконец, как стало известно летом 2013 года, в ходе технического проектирования роль реактивной посадочной системы еще сильнее сократилась. Теперь двигатели планируется включать только за несколько метров до поверхности, их роль сводится к ликвидации остатков скорости и обеспечению мягкой посадки. Точность приземления ПТК НП при этом снизилась с 3 по 5 км. Предполагается, что беспилотные испытания корабля начнутся в 2021 году (на шесть лет позднее, чем планировалось изначально), а пилотируемый полет состоится в 2024.


Возвращаемый аппарат пилотируемого транспортного корабля. 1 – корпус возвращаемого аппарата, 2 – посадочные опоры посадочного устройства, 3 – сопла посадочной твердотопливной двигательной установки.

Планами использовать реактивную посадочную систему на космических кораблях известна также американская компания SpaceX. В мае 2014 года основатель SpaceX Илон Маск представил проект пилотируемого корабля Dragon 2 («Дракон»), который должен был приземляться на сушу с использованием реактивных двигателей SuperDraco. Этот проект почти полностью повторил путь ПТК НП. Сначала разработчики объявили, что для гашения основной скорости намерены использовать парашюты, а двигатели будут включаться непосредственно перед поверхностью земли. Потом стало известно, что корабль Dragon 2, разрабатываемый для полетов к МКС по контракту с НАСА, будет приземляться в Тихий океан без всякого использование реактивной системы. При этом нужно отметить, что SpaceX не отказывается от планов в дальнейшем вернуться к реактивной схеме посадки. И все-таки сравнивать ПТК НП с Dragon не совсем корректно. Очевидным аналогом российского корабля является более тяжелый американский корабль, Orion («Орион»), также предназначенный для полетов за пределы земной орбиты. Его проектирование началось в 2007 году, испытания спускаемого аппарата состоялись в декабре 2014, первый беспилотный полет состоится в 2018, пилотируемый – в 2021 году. Этот корабль, как и все американские капсульные корабли XX века, будет садиться в океан на парашютах.

В ходе разработки ПТК НП рассматривались парашютная, реактивная и комбинированная посадочные системы. Очевидное преимущество парашютной системы – экономия массы и внутреннего объема корабля. При использовании трехкупольной системы вместо однокупольной возможен отказ от запасного парашюта за счет «горячего» резервирования. Недостатки такой посадки тоже очевидны. При приземлении в океан сила удара приемлема для спасения экипажа, но посадка на сушу требует наличия дополнительных средств гашения удара. Кроме того, точность посадки на парашютах оставляет желать лучшего.


Посадочная твердотопливная двигательная установка. 1 – корпус для размещения твердого ракетного топлива (камера сгорания), 2 – система газоходов, 3 – сопловые управляющие блоки, 4 – клапаны сброса продуктов сгорания.

Альтернативой парашютной системе может быть применение реактивной системы посадки, основанной исключительно на работе ракетных двигателей без использования парашютов. Как правило, для таких систем применяются жидкостные двигательные установки, однако в последнее время в конструкциях твердотопливных двигательных установок был достигнут значительный прогресс. Инженеры РКК «Энергия» рассматривали твердотопливную посадочную систему с возможностью глубокого регулирования суммарной тяги и дифференцированного управления тягой каждого сопла. Преимуществами твердотопливных двигателей являются простота конструкции, небольшая стоимость разработки, безопасность (по сравнению с жидкотопливными), надежность, относительно малые размеры и масса. В целом реактивная посадочная система в лучшую сторону отличается от парашютной по точности и мягкости посадки. Реактивные твердотопливные двигатели реализуют существенно меньшие перегрузки, практически недостижимые при использовании парашютных систем с амортизаторами. Двигатели способны обеспечить минимальное ускорение как при приземлении на сушу, так и при нештатной посадке в океан. Сравнительные массы различных систем посадки приведены в таблице.

При разработке комбинированной системы разработчики исходили из принципа необходимости спасения экипажа при отказе реактивных двигателей (именно так появились новые универсальные амортизирующие ложементы «Чегет»). Чтобы избежать повреждения спускаемого аппарата при ударе о землю, его снабдили амортизирующими раскрывающимися опорами.

На этапе эскизного проектирования прорабатывалась твердотопливная реактивная посадочная система в качестве основной и парашютно-реактивная как запасная. При посадке в нештатных условиях агрегатный отсек отстреливался, и корабль приземлялся на парашюте, для смягчения удара используя простые двигатели мягкой посадки. Такая схема оказалась очень неоптимальной. Во-первых, фактически приходилось включать в корабль две независимые дублирующие друг друга посадочные системы. Во-вторых, при нештатной посадке отстреленный агрегатный отсек с двигателями и топливом неуправляемо падал на землю, создавая угрозу постройкам, людям и котам. В-третьих, возникала необходимость включать двигатели на высоте, значительно превышающей оптимальную, чтобы в случае отказа реактивной системы оставалось время на переход к парашютной. В связи с этим было принято решение использовать парашютно-реактивную систему в качестве основной, а не запасной.

В техническом проекте, прошедшем экспертизу ЦНИИМаш в 2013 году, роль реактивной системы значительно сократилась. Для увеличения точности посадки предполагается вводить в действие парашют на возможно низкой высоте. Многоразовость капсулы обеспечивается посадочными опорами и минимизированной твердотопливной двигательной установкой, которая включается непосредственно перед приземлением. Она гасит вертикальную и боковую скорость, чтобы ликвидировать возможность опрокидывания капсулы при касании земли. При отказе двигателей безопасность экипажа обеспечивают амортизирующие кресла, рассчитанные на скорость касания грунта до 7 м в секунду. В случае аварийной посадки ее схема не меняется, однако опоры не раскрываются, и капсула становится одноразовой. Реактивные двигатели способны сократить вертикальную и горизонтальную скорость снижения до нулевой при отказе одного их трех куполов основного парашюта и скорости ветра в районе посадки до 15 м в секунду.

В заключении статьи разработчики резюмируют, что им удалось выполнить все требования технического задания. В целом это верно, а приведенные доводы выглядят вполне убедительными. Хотя консервативный способ посадки перспективного корабля вызывает некоторые сожаления, стоит помнить, что история развития его проекта закладывает хороший ресурс для модернизации, и если реактивная посадочная система подтвердит свою надежность, ее роль можно будет увеличить.

С другой стороны, работа инженеров РКК «Энергия» подтверждает реалистичность полностью реактивной двигательной установки, для которой основным недостатком является массовая неоптимальность. В случае с вышеупомянутым кораблем Dragon компании SpaceX это не должно стать препятствием, поскольку он разрабатывается под уже существующую ракету-носитель среднего класса Falcon 9, которая имеет большой запас грузоподъемности.

Ссылка: www.energia.ru

Обсудить