Исследование причин катастроф космических челноков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Реферат по физике:

«Исследование причин катастроф космических челноков»

2007



1. ПЕРВЫЕ УСПЕХИ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ

Считается, что космическая эра началась 4 октября 1957 года, когда в СССР был запущен первый искусственный спутник Земли «Спутник - 1». Он представлял собой маленькую металлическую сферу с четырьмя штырями антеннами и был снабжен радиопередатчиком.

В ноябре 1957 года в СССР на борту «Спутник-2» в космос была запущена собака Лайка. Она облетела Землю и стала первым животным, запущенным в космос, но она погибла в полете.

В августе 1960 года советские дворняги Белка и Стрелка были самыми популярными. Еще бы! Им впервые удалось в настоящем космическом корабле больше суток летать вокруг планеты и вернуться домой живыми и невредимыми!

В 1961 году советский космонавт Юрий Гагарин стал первым человеком, побывавшим в космосе. Он сделал один виток вокруг Земли на борту космического корабля «Восток-1» и после 108-минутного полета совершил мягкую посадку на Землю.

В июне 1963 года совершила орбитальный полет первая женщина-космонавт Валентина Терешкова.

Первая лунная экспедиция началась 16 июля 1969 года. Мощной ракетой-носителем «Спутник-5» был выведен на орбиту космический аппарат «Аполлон-II» с астронавтами на орбиту. Четыре дня спустя Нейл Армстронг впервые вступил на поверхность Луны и произнёс знаменитую фразу: «Этот маленький шаг одного человека является огромным скачком вперёд для всего человечества»

Но сколько вложено знаний, труда человеческого, сколько положено жизней животных и людей для этих первых минут в космосе, первых шагов по Луне, для мягкой посадки в далёком 1961 году и сколько ещё было неудач при достижениях современных космических высот?

На уроках физики, изучая тему реактивное движение, я не нашел ответа на свои вопросы. Читая учебник, энциклопедии по астрономии и физике, изучая информацию в Internet, я находил только факты успехов. Казалось, что освоение космоса проходило гладко и успешно. Но я знаю, что так не бывает. Даже выполняя простую лабораторную работу по физике, не сразу получается положительный результат. Значит, есть информация и о космических ошибках.

Когда же по-настоящему началась космическая эра? Кто её герои? Почему и по сей день, происходят космические катастрофы, и от чего они зависят?

Задавшись этими вопросами, я поставил перед собой цель.

Цель: Исследовать космические катастрофы, которые описаны в книгах и журналах, проанализировать и ответить на вопрос: оправдываются ли они с точки зрения научных, человеческих и финансовых затрат.

Для достижения цели, я определил следующие задачи:

Изучить имеющуюся научную литературу и оценить космические успехи и неудачи;

Проанализировать технические данные кораблей и челноков, обеспечивающих безопасные полеты в космос;

На практике проверить выполнение основных законов реактивного движения, обеспечивающего космические полеты;

Определить перспективы разработок космических челноков.

Актуальность своей темы я вижу в том, что:

Освоение космоса на современном этапе развития является приоритетным направлением нашей экономики, науки и техники, а доставка грузов на орбиту - необходимая часть этой работы.

После окончания школы я планирую связать дальнейшую учёбу с самолётостроением, и мечтаю о работе в конструкторском бюро по разработке космических аппаратов, поэтому и для меня лично эта тема актуальна, я хочу знать больше о реактивном движении, чем в учебнике, и какой ценой достигаются такие высоты в освоении космоса.

2. НЕУДАЧИ ПЕРВЫХ ДОСТИЖЕНИЙ

В книге «5000 вопросов и ответов о нашем мире» я нашел ответы на свои первые вопросы.

Оказывается, что летом 1960 года была завершена разработка и начаты комплексные испытания первого космического корабля-спутника. Уже 15 мая 1960 был осуществлен запуск первого корабля-спутника. Но из-за неисправности в системе ориентации при включении тормозной двигательной установки корабль потерпел катастрофу. 28 июля 1960 года выполнен запуск второго космического спутника с подопытными животными на борту (собаки Чайка и Лисичка). Вследствие аварии ракеты-носителя корабль на орбиту не вышел. За всё время испытаний погибло около 18 собак: Жемчужина, Жулька, Цыган, Пчелка, Мушка, Маркиза и др.

100 лет назад отцы - основатели космонавтики вряд ли могли себе представить, что космические корабли будут выбрасывать на свалку после одного-единственного полёта. Неудивительно, что первые проекты кораблей виделись многоразовыми и зачастую крылатыми. Долгое время - до самого начала пилотируемых полётов - они конкурировали на чертежных досках конструкторов с одноразовыми «Востоками» и «Меркуриями». Увы, большинство многоразовых кораблей так и остались проектами, а единственная система многократного применения, принятая в эксплуатацию (Space Shuttle), оказалась страшно дорогой и далеко не самой надёжной. Почему так получилось?

Я считаю, что основные неудачи из-за ошибок в проектировании. Не все нюансы учитывали разработчики первых космических объектов. Но почему свои ошибки они понимали только после катастрофы?! Какими должны быть космические корабли, чтобы избежать человеческих жертв? И возможно ли вообще обойтись без жертв?

3. ИЗОБРЕТЕНИЕ КОСМИЧЕСКИХ ЧЕЛНОКОВ

РАКЕТОСТРОЕНИЕ

Ракетостроение имеет в своей основе два источника - авиацию и артиллерию. Авиационное начало требовало многоразовости и крылатости, тогда как артиллерия была склонна к одноразовому применению «ракетного снаряда». Боевые ракеты, из которых выросла практическая космонавтика, были, естественно, одноразовыми.

Когда дело дошло до практики, конструкторы столкнулись с целым комплексом проблем высокоскоростного полёта, в числе которых - чрезвычайно высокие механические и тепловые нагрузки. Путём теоретических исследований, а также проб и ошибок инженеры смогли подобрать оптимальную форму боевой части и эффективные теплозащитные материалы.

И когда на повестку дня встал вопрос о разработке космических кораблей, проектанты оказались перед выбором концепции: строить космический «самолёт» или аппарат капсульного типа, похожий на головную часть межконтинентальной баллистической ракеты? Поскольку космическая гонка шла в бешеном темпе, было выбрано наиболее простое решение - ведь в вопросах аэродинамики и конструкции капсула куда проще самолёта.

Быстро выяснилось, что на техническом уровне тех лет сделать капсульный корабль многоразовым практически нереально. Баллистическая капсула входит в атмосферу с огромной скоростью, а её поверхность может нагреваться до 2 500-3 000 градусов. Космический самолёт, обладающий высоким аэродинамическим качеством, при спуске с орбиты испытывает почти вдвое меньшие температуры (1 300-1 600 градусов), но материалы, пригодные для его теплозащиты, в 1950 - 1960-е годы ещё не были созданы. Единственной действенной теплозащитой была тогда, заведомо одноразовая абляционная обмазка: вещество покрытия оплавлялось и испарялось с поверхности капсулы потокам набегающего газа, поглощая и унося при этом тепло, которое в противном случаи вызвало бы недопустимый нагрев аппарата.

Попытки разместить в одной капсуле все системы - двигательную установку и топливный бак, системы управления, жизнеобеспечения и энергопитания - вели к быстрому росту массы аппарата: чем больше размеры капсулы, тем больше масса теплозащитного покрытия (в качестве которой использовались, например, стеклотекстолиты, пропитанные фенольными смолами с довольно большей плотностью). Однако грузоподъемность тогдашних ракет-носителей была ограниченна. Решения было найдено в делении корабля на функциональные отсеки. «Сердце» системы обеспечения жизнедеятельности космонавта размещалось в относительно небольшой кабине-капсуле с тепловой защитой, а блоки остальных систем были вынесены в одноразовые отделяемые отсеки, естественно, не имевшие никакого теплозащитного покрытия.

ПЕРВОЕ ВОПЛОЩЕНИЕ. ПРЕДЫСТОРИЯ КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ.

И всё же идея многоразовости ракетно-космической техники оказалась живучей. К концу 1960-х годов в США и несколько позднее в СССР и Европе был накоплен изрядный задел в области гиперзвуковой аэродинамики, новых конструкционных и теплозащитных материалов.

В1969 году NASA заключило первые аэрокосмические контракты с США на исследование облика перспективной космической системы Space Shuttle (англ. - «космический челнок»).

Шаттлам предстояло ежегодно совершать 50 - 60 полётов, доставляя на околоземную орбиту космические аппараты разного назначения, а также экипажи и грузы для орбитальных станций. При этом от космического челнока требовались умения возвращаться с орбиты.

В СССР, ещё да полёта Юрия Гагарина, рассматривалось несколько вариантов крылатых пилотируемых аппаратов многоразового использования, таких как ВКА-23 (главный конструктор В.М. Мясищев), «136» (А.Н. Тополев), а также проект П.В. Цыбина, известный как «лапоток», разработанный по заказу С.П. Королёва.

Во второй половине 1960-х годов в СССР в ОКБ А.И. Микояна, под руководством Г.Е. Лозино-Лозинского, велась работа над многоразовой авиационно-космической системой «Спираль», которая состояла из сверх звукового самолёта-разгонщика и орбитального самолёта, выводимого на орбиту с помощью двухступенчатого ракетного ускорителя.

Орбитальной самолёт по размерности и по назначению в общих чертах повторял Dyna Soar, однако отличался формой и техническими деталями. Рассматривался и вариант запуска «Спираль» в космос с помощью ракеты-носителя «Союз».

Из-за недостаточного технического уровня тех лет ни один из многочисленных проектов многоразовых крылатых аппаратов 1950 - 1960 годов не вышли из стадии проектирования.

Полномасштабная разработка Space Shuttle, порученная фирме North American Rockwell (позднее Rockwell International), началась в 1972 году. К моменту ввода системы в эксплуатацию (а первый полет «Колумбии» состоялся 12 апреля 1981 года - ровно через 20 лет после Гагарина) это был во всех отношениях технологический шедевр. Но у этого шедевра были свои недостатки.

Во-первых, не оправдались прогнозы по объемам грузопотока - он оказался на порядок меньше ожидавшегося. Во-вторых, компромисс между инженерами и финансистами не пошел на пользу эффективности челнока: стоимость ремонтно-восстановительных работ для ряда агрегатов и систем достигло половины стоимости их производства! Особенно дорого обходилось обслуживание уникальной керамической теплозащиты. Наконец, для повторного использования твердотопливных ускорителей пришлось организовать дорогостоящие поисково-спасательные операции.

Кроме того, Шаттл мог работать только в пилотируемом режиме. Кабина с астронавтами не отделяется от корабля, из-за чего на некоторых участках полета любая серьезная авария чревата катастрофой с гибелью экипажа и потерей челнока. Это случилось уже дважды - с «Челленджером» (28 января 1986 года) и «Колумбией» (1 февраля 2003 года). Последняя катастрофа изменила отношение к программе Space Shuttle: после 2010 года челнок будет выведен из эксплуатации. На смену им придут «Орионы» (смотри приложение 10), внешне весьма напоминающие своего дедушку - корабль «Апполон» - и обладающие многоразовой спасаемой капсулой экипажа.

4. ЧЕЛНОКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

С момента начала реализации программы Space Shuttle в мире неоднократно принимались попытки создания новых многоразовых кораблей. Проект «Гермес» начали разрабатывать во Франции в конце 1970-х годов, а потом продолжали в рамках Европейского космического агентства. Этот не большой космический самолет, сильно напоминавший разрабатываемый в России «Клипер», должен был выводиться на орбиту одноразовой ракетой «Ариан-5», доставляя к орбитальной станции несколько человек экипажа и до трех тон грузов. Несмотря на достаточно консервативную конструкцию, «Гермес» оказался Европе не по силам. В 1994 году проект, на который израсходовали около 2 миллиардов долларов был, был закрыт.

Куда более фантастично выглядел проект беспилотного воздушно-космического самолета с горизонтальными влетами и посадкой HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing), (смотри приложение 11) предложенный в 1984 году фирмой British Aerospace. По замыслу, этот одноступенчатый крылатый аппарат предполагалось оснастить уникальной двигательной установкой, сжижающий в полете кислород из воздуха и использующий его в качестве окислителя. Горючим служит водород. Финансовые работы со стороны государства (три миллиона фунтов стерлингов) через три года прекратилось из-за необходимость огромных затрат на демонстрацию концепции необычного двигателя. Промежуточное положение между «революционным» HOTOL и консервативным «Гермесом» занимает проект воздушно-космической системы «Зенгер» (Sanger) (смотри приложение № 11), разработанный в середине 1980-х годов в ФРГ. Первой ступенью в нем служил гиперзвуковой самолет-разгонщик с комбинированными турбопрямоточными двигателями. После достижения 4 - 5 скоростей звука с его спины стартовали либо пилотируемый воздушно-космический самолет «Хорус», либо одноразовая грузовая ступень «Каргус». Однако и этот проект вышел из «бумажной» стадии, в основном по финансовым причинам.

Американский проект NASP был предоставлен президентом Рейганом в 1986 году как национальная программа воздушно-космического самолета. Этот одноступенчатый аппарат, который в прессе часто называли «Восточным экспрессом», имел фантастические летные характеристики. Их обеспечивали прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением, которые, по утверждению специалистов, могли работать при числах Маха от 6 до 25. Однако проект столкнулся с техническими проблемами, и в начале 90-х годов его закрыли.

Советский «Буран» подавался в отечественной (да и в зарубежной) печати как безусловный успех. Однако, совершив единственный беспилотный полет, 15 ноября 1988 года, этот корабль канул в Лету. Справедливости ради надо сказать, что «Буран» оказался, не менее совершенен, чем Space Shuttle. А в отношении безопасности и универсальности применения даже превосходил заокеанского конкурента. В отличие от американцев советские специалисты не питали иллюзий по поводу экономичности многоразовой системы - расчеты показывали, что одноразовая ракета эффективнее. Но при создании «Бурана» основным был иной аспект - советский челнок разрабатывался как военно-космическая система. С окончанием «холодной войны» этот аспект отошел на второй план, чего не скажешь про экономическую целесообразность. А с ней у «Бурана» было плохо: его пуск обходился, как одновременный старт пары сотен носителей «Союз». Судьба «Бурана» была решена.

ЗА И ПРОТИВ

Не смотря на то, что новые программы разработки многоразовых кораблей появляются как грибы после дождя, до сих пор не одна из них не принесла успеха. Ничем окончились упомянутые выше проекты Hermes (Франция, EKA), HOTOL (Великобритания) и Sanger (ФРГ). «Завис» между эпохой МАКС - советско-российская многоразовая авиационно-космическая система. Потерпели неудачу и программы NASP (национальный аэрокосмический самолет) и RLV (многоразовая ракета-носитель) - очередные попутки США создать МТКС второго поколения на замену Space Shuttle. В чем же причина такого не завидного постоянства?

По сравнению с одноразовой ракетой-носителем создание «классической» многоразовой транспортной системой обходится крайне дорого. Сами по себе технические проблемы многоразовых систем решаемы, но стоимость их решений очень велика. Повышение кратности использования требует порой весьма значительного увеличения массы, что ведет к повышению стоимости. Для компенсации роста массы берутся (а зачастую изобретаются с нуля) сверхлегкие и сверхпрочные (и более дорогие) конструкционные и теплозащитные материалы, а так же двигатели с уникальными параметрами. А применение многоразовых систем в области мало изученных гиперзвуковых скоростей требует значительных затрат на аэродинамические исследования.

И все же это вовсе не значит, что многоразовые системы в принципе не могут окупаться. Положение меняется при большом количестве пусков. Допустим, стоимость разработки системы составляет 10 миллиардов долларов. Тогда, при 10 полетах (без затрат на межполётное обслуживание), на один запуск будет отнесена стоимость разработки в один миллиард долларов, а при 1000 полетов - только 10 миллионов! Однако из-за общего сокращения «космической активности человека» о таком числе пусков остается только мечтать. Значит, на многоразовых системах можно поставить крест? Я так не думаю.

Во-первых, не исключен рост «космической активности цивилизации». Определенные надежды дают новый рынок космического туризма. Возможно, на первых порах, окажутся востребованными корабли малой и средней размерности «комбинированного» типа (многоразовые версии «классических» одноразовых), такие как европейские «Гермес» или, что нам ближе, российский «Клипер». Они относительно просты, могут выводиться в космос обычными (в том числе, возможно, уже имеющимися) одноразовыми ракетоносителями. Да, такая схема не сокращает затраты на доставку грузов в космос, но позволяет сократить расходы на миссию в целом (в том числе снять с промышленности бремя серийного производства кораблей). К тому же крылатые аппараты позволяют резко уменьшить перегрузки, действующие на космонавтов при спуске, что является несомненным достоинством.

Во-вторых, что особенно важно для России, применение многоразовых крылатых ступеней позволяет сократить затраты на зоны, выделяемые под поля падения фрагментов ракет-носителей.

5. ВАРИАНТЫ КОНСТРУКТИВНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ МНОГОРАЗОВЫХ СИСТЕМ

Варианты конструктивной реализации многоразовых систем весьма разнообразны. При их обсуждении не стоит ограничиваться только кораблями, надо сказать и о многоразовых носителях - грузовых многоразовых транспортных космических системах (МТКС). Очевидно, что для снижения стоимости разработки МТКС надо создавать беспилотными и не перегружать их избыточными, как у Шаттла, функциями. Это позволит существенно упростить и облегчить конструкцию.

С точки зрения простоты эксплуатации наиболее привлекательны одноступенчатые системы: теоретически они значительно надежнее многоступенчатых, но их реализация находится «на гране возможного»: для создания таковых требуется снизить относительную массу конструкций не менее чем на треть по сравнению с современными системами. Впрочем, и двухступенчатые многоразовые системы могут обладать вполне приемлемыми эксплуатационными характеристиками, если использовать крылатые первые ступени, возвращаемые к месту старта по-самолетному.

Вообще МТКС в первом приближении можно классифицировать по способам старта и посадки: горизонтальному и вертикальному. Часто думают, что системы с горизонтальным стартом имеют преимущество, поскольку не требуют сложных пусковых сооружений. Однако современные аэродромы не способны принимать аппараты массой более 600-700 тонн, и это существенно ограничивает возможности систем с горизонтальным стартом. Кроме того, трудно представить себе космическую систему, заправленную сотнями тонн криогенных компонентов топлива, среди гражданских аэролайнеров, взлетающих и садящихся на аэродром по расписанию. А если учесть пребывания к уровню шума, то становится очевидным, что для носителей с горизонтальным стартом все равно придется строить отдельные высококлассные аэродромы. Так что у горизонтального взлета здесь существенных преимуществ перед вертикальным стартом нет. Зато, взлетая и садясь вертикально, можно отказаться от крыльев, что существенно облегчает и удешевляет конструкцию, но вместе с тем затрудняет точный заход на посадку и ведет к росту перегрузок при спуске.

В качестве двигательных установок МТКС рассматриваются как традиционные жидкостные ракетные двигатели (ЖРД), так и различные варианты и комбинации воздушно-реактивных (ВРД). Среди последних есть турбопрямоточные, ракетно-прямоточные, способные функционировать во всем диапазоне скоростей полета - от нулевых до орбитальных.

Воздушно-реактивные двигатели на порядок экономичнее ракетных (из-за отсутствия окислителя на борту аппарата), но при этом имеют и на порядок большую удельную массу, а так же весьма серьезные ограничения на скорость и высоту полета. Для рационального использования ВРД требуется совершать полет при больших скоростных напорах, защищая при этом конструкцию от аэродинамических нагрузок и перегревов. То есть, экономя топливо ВРД увеличивают массу конструкции, которая обходится гораздо дороже. Тем не менее, ВРД, вероятно, найдут применение в относительно не больших многоразовых аппаратах горизонтального старта.

Наиболее реалистичными, то есть простыми и относительно дешевыми в разработке, пожалуй, являются два вида систем. Первый - типа уже упомянутого «Клипера», в которых принципиально новым оказался только пилотируемый крылатый многоразовый аппарат. Но большие размеры хоть и создают определенные трудности в части теплозащиты, зато уменьшают затраты на разработку. Технические проблемы для таких аппаратов практически решены. Так что «Клипер» - это шаг в правильном направлении.

Второй - система вертикального пуска с двумя крылатыми ракетными ступенями, которые могут самостоятельно вернуться к месту старта. Особых технических проблем при их создании не ожидается, да и проходящий стартовый комплекс можно, наверное, подобрать из числа уже построенных.

Подводя итог, я думаю, что будущее многоразовых космических систем безоблачным не будет. Им придется отстаивать право на существование в суровой борьбе с примитивными, но надежными и дешевыми одноразовыми ракетами.



6. ГИПЕРЗВУКОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Наиболее перспективным типам двигательных установок для многоразовых воздушно-космических самолетов с горизонтальным взлетом некоторые специалисты считают гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД), или, как их чаще называют, прямоточные воздушно-реактивные двигатели со сверхзвуковым горением. Схема двигателя крайне проста - у него нет ни компрессора, ни турбины. Поток воздуха сжимается поверхностью аппарата, а так же в специальном воздухозаборнике. Как правило, единственной подвижной частью двигателя является насос подачи горючего.

Основная особенность ГПВРД в том, что при скоростях полета, шесть и более раз превышающих скорость звука, поток воздуха не успевает затормозиться во впускном тракте до дозвуковой скорости, и горение должно происходить в сверхзвуковом потоке. А это представляет известные сложности - обычно топливо не успевает сгорать в таких условиях. Долгое время считалось, что единственное горючее, пригодное для ГПВРД - водород. Правда, в последнее время получены обнадеживающие результаты и с горючим типа керосина.

Не смотря на то, что гиперзвуковые двигатели исследуются с середины 1950-х годов, до сих пор не изготовлено ни одного полноразмерного летного образца: сложность расчетов газодинамических процессов при гиперзвуковых скоростях требуют проведение дорогостоящих натурных летных экспериментом. Кроме того, нужны жаропрочные материалы, стойкие к окислению при больших скоростях, а так же оптимизированная система топливоподачи и охлаждения ГПВРД в полете.

Существенные недостаток гиперзвуковых двигателей - они не могут работать со старта, аппарат до сверхзвуковых скоростей надо разгонять другими, например, обычными турбореактивными двигателями. И, конечно, ГПВРД работает только в атмосфере, так сто для выхода на орбиту понадобится ракетный двигатель. Необходимость ставить несколько двигателей на один аппарат значительно усложняет конструкцию воздушно-космического самолета.

7. МНОГОРАЗОВЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ КОРАБЛИ

Орбитальный корабль «Буран».

Орбитальный корабль (ОК) «Буран» выполнен по самолетной схеме в России. Его разработка продолжалась 10 лет. Всего по программе «Энергия-Буран» было построено три летных корабля (третий не достроен), заложены ещё два (конструкция, после закрытия программы, была уничтожена), и девять технологических макетов в различной комплектации для проведения различных испытаний.

Внешняя компоновка, конструкция ОК.

В носовой части «Бурана» расположены герметичная вставная кабина объемом 73 кубических метров для экипажа (2-4 человека) и пассажиров (до 6 человек), отсеки бортового оборудования и носовой блок двигателей управления. Средняя часть заменяет грузовой отсек, под которым расположены агрегаты систем энергосбережения и обеспечения температурного режима. В хвостовом отсеке установлены агрегаты двигательной установки, топливные баки, агрегаты гидросистемы. В конструкции «Бурана» использованы алюминиевые сплавы, титан, сталь и другие материалы. Чтобы противостоять аэродинамическому нагреванию при спуске с орбиты, внешняя поверхность ОК имеет теплозащитное покрытие, рассчитанное на многоразовое использование и выдерживающее температуру до 1300 єС, а в особо теплонапряженных зонах (в носках фюзеляжа и крыла), до 1500-1600єС. Однако конструкция ОК не прогревается к концу полета более чем до 160єС, т.к. каждая из 38600 плиток, которыми покрыта вся поверхность корабля, имеет конкретное место установки, обусловленное теоретическим обводом корпуса ОК. Для снижения тепловых нагрузок выбраны также большие значения радиусов затупления носков крыла и фюзеляжа. Расчетный ресурс конструкции - 100 орбитальных полетов.

Выведение на орбиту. Запуск «Бурана» осуществляется с помощью универсального двухступенчатого ракето-носителя (РН) «Энергия». При стартовой массе РН с «Бураном» весит около 2400 т (из них около 90% составляет топливо). Первый испытательный запуск беспилотного ОК, состоялся на космодроме Байконур 15 ноября 1988 года. После отделения ОК то второй ступени РН был осуществлен двукратный запуск его двигателей, что обеспечило необходимый прирост скорости до достижения первой космической и выход на опорную космическую орбиту. Расчетная высота опорной орбиты «Бурана» составляет 250 км.

Возвращение с орбиты. Для схода с орбиты ОК разворачивается двигателями газодинамического управления на 180є (хвостом вперед), после этого на непродолжительное время включаются основные ЖРД и сообщают ему необходимый тормозной импульс. ОК переходит на траекторию спуска, снова разворачивается на 180є (носом вперед) и выполняет планирование с большим углом атаки. До высоты 20 км осуществляется совместное аэродинамическое и газодинамическое управление, а на заключительном этапе полета используется только аэродинамические органы управления. Аэродинамическая схема «Бурана» обеспечивает ему достаточно высокое аэродинамическое качество, позволяющее осуществлять управляемый планирующий спуск. Конфигурация летательного аппарата и принятая траектория спуска (крутизна планирования) позволяет аэродинамическим торможением погасить скорость ОК от близкой к орбитальной до посадочной, равной 300-360 км/ч. Длина пробега составляет 1100-1900 м, на пробеге используется тормозной парашют. Для расширения эксплуатационных возможностей «Бурана», предусматривалось использование до трех штатных аэродромов посадки (на космодроме ВПП посадочного комплекса), а также на востоке (г. Хороль Приморского края) и западной части страны (Симферополь).

Первый испытательный полет беспилотного варианта ОК завершился после выполнения немногим более двух витков вокруг Земли успешной автоматической посадкой на аэродром в районе космодрома. Почему же при всех удачах «Буран» больше не полетел.

РУХНУВШАЯ МЕЧТА «ЧЕЛЛЕНДЖЕР»

В январе 1986 года огненный шар взметнулся в солнечное небо над Флоридой. После ряда успешных рейсов взорвался космический челнок «Челленджер». Погибли семь находившихся на борту корабля космонавтов. Что же произошло? И почему были проигнорированы предупреждения об опасности?

История «Челленджера», взлетевшего в легенду, началась накануне ночью, когда температура во Флориде опустилась до необычно низкой отметки - минус 27 градусов.

Один инженер позвонил в контрольную комиссию и настоятельно потребовал отложить старт корабля из-за опасной степени обледенения. Не знали этого космонавты.

Невероятно, но в Хьюстоне, где находилась контрольная комиссия, официальный ведущий не смотрел на телевизионный монитор. Вместо этого его глаза упёрлись в программу полёта. И он говорил не о том, что уже случилось, а о том, что должно было произойти с «Челленджером» в соответствии с графиком полёта и написанным текстом.

«Одна минута пятнадцать секунд. Скорость корабля 2900 футов в секунду. Пролетел расстояние в девять морских миль. Высота над землёй - семь морских миль».

Вдруг ведущий замолчал, и через минуту упавшим голосом произнёс: «Как нам только что сообщил координатор полёта, космический корабль «Челленджер» взорвался. Директор полёта подтвердил это сообщение».

Несколько часов спустя Рейган попытался утешить опечаленную страну проникновенной речью. Обращаясь к школьникам Америки, президент сказал: «Я знаю, очень тяжело осознавать, что такие горькие вещи иногда случаются. Но всё это является частью процесса исследований и расширения горизонтов человечества».

За последнюю четверть столетия учёные и космонавты США совершили 55 космических полётов, и их успешное возвращение на Землю воспринималось как нечто само собой разумеющееся.

Премьер-министр Великобритании Маргарет Тэтчер с грустью заметила, что «новые знания иногда требуют в жертву самых лучших людей».

Сенат Джон Гленн, первый американец, побывавший на космической орбите, сказал; «Первый из нас всегда знал, что когда-нибудь наступит такой день, как сегодня. Ведь мы работаем с такими огромными скоростями, с такой энергией, с которой человечество не когда не сталкивалось».

Почему же произошла такая катастрофа?

Осколки падали на шести тысяч квадратных миль Атлантического океана. Поисковые партии нашли удивительно большие обломки, разбросаны по океанскому дну, в том числе и секцию фюзеляжа «Челленджера».

Экспертам НАСА предстояло решить архисложную задачу: где произошел сбой? Во-первых, в распоряжении учёных уже был фильм, снятый 80 телевизионными камерами. Во-вторых, существовали миллиарды компьютерных сигналов, которыми обменивались обречённые космонавты с центром управления полётов. И, в-третьих, к тому моменту были собраны обломки «Челленджера». Уже существовало подозрение, что лёд, образовавшийся на стартовой площадке на кануне запуска, повредил космический челнок, чего опасался инженер из «Рокуэлла». Также высказывалось подозрения, что стрела подъёмного крана случайно повредила внешнюю изоляцию топливного бака. К взрыву могла привести и утечка топлива через лопнувший шов главная топливного бака.

То, что выяснилось позднее, повергло комиссию в шок. Оказалось, управляющий полетами челноков космического центра Кеннеди Роберт Сайк и директор запуска «Челленджера» Джин Томас даже и не слышали, что инженеры компании «Мортон Тайокоп» возражали пропив запуска челнока из-за холодной погоды на мысе Канаверал.

Большинство экспертов пришли к заключению, что авария произошла из-за возгорания кольца из синтетической резины, герметизирующего сегменты ракеты-носителя. Эти кольца предназначались для того, чтобы выхлопные газы ракеты не выходили через щели в соединениях.

«Будущее не свободно от потерь…»

В целом была пересмотрена вся программа челноков.

29 сентября 1988 года Америка вздохнула с облегчением после успешного полета «Дискавери».

Инженеры НАСА внесли 120 изменений в конструкцию орбитального корабля и 100 - в его совершеннейшую компьютерную начинку.

Но в последующие годы программы комического челнока отягощались большими и новыми проблемами. В связи с сокращением бюджета, комиссия пришла к заключению, что к концу столетия с космическими челноками возможен ещё один трагический инцидент: от сбоя компьютеров до засорения туалетов или из-за опасной утечки топлива. Что и произошло с Шаттлом, но уже не при взлете, а при спуске с орбиты.

8. РОСАВИАКОСМОС И «КЛИПЕР»

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 30є. 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 90є.

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».

17 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.

9. 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.

1. Из картона вырезаем две фигурки космического корабля. Посередине разрезаем так, чтобы получилось сопло (сквозной канал).

2. Помещаем «корабли» на воду, отмечаем начальное положение, в сопло одного добавляем капельку растительного масла, засекаем время движения и отмечаем дальность «полёта»

3. В сопло второго «корабля» добавляем капельку моющего средства «Ферри» и повторяем измерения.

Таблица 1

№	«топливо»	S, м	t, с	U, м\с
1	Растительное масло	0,1	2	0,05
2	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

2-3 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	1	2,8

Uш

Uг

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
1	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.
2	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.
3	«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.

Размещено на Allbest.ru