Je pense que tous ceux qui parlent de fusées réutilisables s'inspirent principalement des avions. Ces machines ailées volent activement, sont très fiables et disposent d'une ressource colossale. Et contrairement aux fusées, vous pouvez facilement acheter un billet et voler où que vous alliez. Par conséquent, de nombreux écrivains de science-fiction, cinéastes et ingénieurs concepteurs dessinent un avion ou une fusée avec une aile comme une fusée réutilisable, où au moins le premier étage atterrit sur le cosmodrome le long de l'avion. Il s'agit d'une approche classique, où chacun essaie de s'appuyer au maximum sur ce qui a été réalisé. Essayons de comprendre ce dont les missiles ont besoin pour revenir sains et saufs.
Entrer dans l'atmosphère
Pour que le lanceur puisse mettre le satellite en orbite, il faut indiquer au satellite (et au dernier étage) une vitesse voisine de 7800 m / s. Pour comprendre cela, il faut l'ordre des nombres, pas les valeurs exactes. Dans le même temps, le premier étage, en fonction de la configuration du lanceur, développe une vitesse de l'ordre de 1 600 à 3 800 m / s. Ainsi, lors du retour sur Terre, l'unité de fusée pénètre dans l'atmosphère avec presque la même vitesse avec laquelle elle s'est séparée. On peut dire que ce sont nos conditions initiales. En entrant dans l'atmosphère, la fusée subit une résistance atmosphérique, ce qui provoque des contraintes mécaniques et un échauffement. Les charges mécaniques (tête haute vitesse) sont proportionnelles au carré de la vitesse, et l'échauffement (flux thermique) au cube de la vitesse. Dans ce cas, la hauteur de vitesse et le flux thermique sont directement proportionnels à la densité de l'atmosphère. Ce sont les relations les plus importantesqui déterminent la manière d'entrer dans l'atmosphère et d'y voler. Et si une approche simple est utilisée pour compenser les charges croissantes - une augmentation de la masse de la structure, les flux de chaleur croissants ne peuvent pas être compensés de cette manière. Les flux de chaleur qu'une structure peut percevoir par unité de temps sont uniquement déterminés par le matériau utilisé de la structure ou sa surface extérieure. À des vitesses élevées, les matériaux de construction conventionnels fondent simplement. Mais ils ont trouvé un moyen de sortir de cette situation. Par exemple, la protection thermique par ablation est activement utilisée pour la descente et la rentrée des engins spatiaux.sont uniquement déterminés par le matériau utilisé de la structure ou sa surface externe. À des vitesses élevées, les matériaux de construction conventionnels fondent simplement. Mais ils ont trouvé un moyen de sortir de cette situation. Par exemple, la protection thermique ablative est activement utilisée pour la descente et la rentrée des vaisseaux spatiaux.sont uniquement déterminés par le matériau utilisé de la structure ou sa surface externe. À des vitesses élevées, les matériaux de construction conventionnels fondent simplement. Mais ils ont trouvé un moyen de sortir de cette situation. Par exemple, la protection thermique par ablation est activement utilisée pour la descente et la rentrée des engins spatiaux.
Le véhicule de descente de type Soyouz après l'atterrissage du
module de commande Apollo après l'atterrissage
Les images montrent que l'écran thermique est brûlé et emporté. Ce sont ses principales propriétés - accumuler de l'énergie et être emporté. Elle est très similaire à l'eau qui, en raison de l'ébullition et de l'évaporation, maintient une température strictement définie. Mais ce n'est pas du tout une technologie réutilisable. Ces matériaux de protection thermique sont très coûteux, pèsent beaucoup et doivent être restaurés ou changés après chaque vol. VA TKS a même élaboré la technologie de restauration de la protection thermique ablative après son "évaporation". Mais cette technologie s'est avérée assez coûteuse et, pour un certain nombre de raisons, elle n'est pas allée plus loin.
Aux États-Unis, pour la navette spatiale, et plus tard en URSS, pour le vaisseau spatial Bourane, des matériaux de protection thermique en carbone-carbone et silicium ont été développés, censés garantir un faible poids et une réutilisation.
Revêtement de protection thermique du vaisseau spatial "Bourane"
Cela est devenu possible avec l'utilisation d'une forme de planeur pour les véhicules. En raison de la grande surface par unité de poids, le véhicule a éteint une partie de la vitesse dans les couches raréfiées de l'atmosphère et est entré dans les couches denses à des vitesses inférieures. Et en utilisant la qualité aérodynamique lors de son entrée dans l'atmosphère, l'appareil a converti sa vitesse verticale en vitesse horizontale et, de ce fait, a progressivement réduit sa hauteur. Grâce à ces deux facteurs, il a été possible de réduire les flux thermiques par unité de surface, ce qui, couplé au rayonnement de rayonnement thermique dans l'espace environnant, a permis d'utiliser ces matériaux. De plus, la descente en glissement a permis de réduire les charges mécaniques et les surcharges subies par le planeur. Dans les laboratoires, les carreaux de carbone-carbone et de quartz ont donné d'excellents résultats.Ils contenaient efficacement les flux de chaleur requis et la chaleur activement rayonnée en retour. En raison du faible coefficient de conductivité thermique, la structure de l'engin spatial n'a pas chauffé au-dessus des limites admissibles et a conservé ses propriétés de résistance. Mais en réalité, les matériaux utilisés étaient très exigeants pour se conformer aux processus technologiques de leur fabrication et de leur application (collage). Le problème le plus important était la fragilité des matériaux, qui n'était en aucun cas évaluée dans les modèles mathématiques lors de la conception. Par exemple, les carreaux de quartz étaient facilement poussés avec un doigt. Les carreaux de carbone-carbone étaient facilement ébréchés sur les bords. De plus, lorsqu'ils volent dans des couches denses de l'atmosphère, les carreaux de quartz ont reçu un effet érosif significatif des particules de poussière, ce qui a nécessité une restauration ultérieure.Certaines tuiles sont simplement tombées pendant le fonctionnement. Tout ceci a conduit au fait que ce revêtement de protection thermique en fonctionnement est devenu beaucoup plus cher que les types ablatifs de boucliers thermiques. Eh bien, tout le monde se souvient probablement du désastre de la navette Columbia, survenu le 1er février 2003 en raison de dommages à la protection thermique. Après le premier (ou dernier) vol, le vaisseau spatial "Buran" a également eu une grave brûlure du revêtement de protection thermique, ce qui, heureusement, n'était pas si critique.
Comment donc contourner le problème du chauffage thermique? Et là encore, il faut se rappeler que les flux de chaleur sont proportionnels à la vitesse du cube. Comme je l'ai écrit plus haut, la vitesse de la première étape peut être trois fois inférieure à celle de la dernière étape. Cela signifie que le bloc-fusée de l'accélérateur du premier étage en entrant dans l'atmosphère peut chauffer 27 fois moins intensément que le bloc descendant à la vitesse orbitale. Autrement dit, nous devons réduire la vitesse d'un objet qui pénètre dans l'atmosphère. Malheureusement, en raison de la forme aérodynamique ou des effets aérodynamiques, il ne sera pas possible de réduire la vitesse aussi radicalement. Il faut soit ralentir, soit simplement ne pas gagner autant de vitesse que le premier étage. Des calculs ont montré que si le véhicule de glissement développe une vitesse allant jusqu'à 2500 m / s, il ne subit pas cet échauffement important,qui nécessite l'utilisation de matériaux spéciaux de protection thermique. Dans ce cas, des alliages de titane doivent être utilisés dans les carénages de l'aile, sur les bords et dans tous les endroits soumis à des contraintes thermiques.
Le soufflage ultérieur des dispositifs élaborés a recommandé de réduire encore plus la vitesse ou de choisir une forme aérodynamique qui réduit la contrainte thermique des bords, des carénages et des endroits similaires. Pour les blocs de fusée classiques, la valeur de cette vitesse est encore plus faible, car elle plonge de manière très intensive dans les couches denses de l'atmosphère. Sur la base des résultats des calculs et des vols réels, il s'est avéré que la fusée ne nécessitait pas de protection spéciale à des vitesses d'entrée de l'ordre de 1200 m / s. À des vitesses de l'ordre de 1400 m / s, une application locale de matériaux réfractaires spéciaux ou une protection thermique est nécessaire. Nous voyons ici que la réduction requise de la vitesse des unités de fusée classiques est très importante et qu'il est extrêmement inefficace de séparer les unités de fusée à une telle vitesse de vol. Alors, quelle est la sortie? Et très simple - pour freiner les moteurs avant d'entrer dans l'atmosphère,pour fournir une vitesse d'entrée dans la région de 1200-1400 m / s. Toute la question est dans la différence entre les vitesses de séparation et d'entrée dans l'atmosphère. Le besoin de carburant pour une telle décélération peut être estimé assez précisément en utilisant la formule de Tsiolkovsky, en ajoutant les pertes gravitationnelles pour le temps de décélération.
Atterrissage en douceur
Nous avons brièvement passé en revue le problème de la rentrée dans l'atmosphère des unités de fusée réutilisables. Et maintenant, brièvement sur les problèmes d'un atterrissage en douceur, qui maintiendra la structure, qui n'est pas surchauffée, intacte et sûre. Commençons à nouveau par la structure ailée. Il n'y a probablement pas besoin d'expliquer grand chose. Tout le monde a dû voir les avions atterrir. Voici un schéma similaire, mais avec une mise en garde. Comme ces véhicules ne sont pas des avions, leur vitesse d'atterrissage horizontale est assez élevée, ce qui nécessite de longues pistes d'atterrissage de haute qualité. Sur une voie ordinaire, comme à Sheremetyevo, un tel appareil risque de s'écraser. Je pense que nous avons trié les véhicules ailés.
Mais qu'en est-il des blocs de fusée classiques? Il est nécessaire de s'assurer que la structure n'est pas endommagée lors de l'atterrissage. Vous pouvez descendre doucement la fusée dans l'eau, soit à l'aide de parachutes, soit en freinant les moteurs.
Booster flottant du premier étage Falcon-9
Cette option d'atterrissage dans l'eau semble être bonne pour tout le monde. Mais il y a quelques problèmes et des tâches pratiquement insolubles. Tous les lanceurs n'ont pas de trajectoires de vol dans les zones où les blocs tombent au-dessus de l'eau. Par exemple, lors du lancement depuis le cosmodrome de Baïkonour, une telle chose ne peut pas être faite du tout, depuis le cosmodrome de Vostochny, c'est extrêmement problématique. Au contact de l'eau de mer, de nombreux alliages et matériaux commencent à se décomposer assez rapidement. À elle seule, l'eau peut perturber les performances de nombreux systèmes mécaniques et électroniques. Il y a un problème de séchage des blocs et de nettoyage des dépôts de sel. Au contact de l'eau, les éléments structurels chauds sont susceptibles de se fissurer et d'un effet de durcissement excessif. Et en fin de compte, le tangage ajoute des charges hors conception. Compte tenu de tous ces facteurs, l'atterrissage sur l'eau n'est généralement pas envisagé par les spécialistes. Et si cela est considéré,ils abandonnent rapidement cette idée. Il reste à faire atterrir la fusée sur terre ou sur une plate-forme offshore.
La plate-forme ajoute des problèmes de tangage et de dérive. Mais des systèmes de stabilisation efficaces font de la plate-forme de l'unité de missile une terre pratiquement sèche. Bien que le développement de tels systèmes de stabilisation soit une tâche supplémentaire, mais tout à fait résoluble.
Plateforme d'atterrissage en mer SpaceX
Ensuite, vous devez décider de la méthode d'atterrissage. Habituellement, la première chose offerte est un parachute. Il est familier à tout le monde, assez compréhensible et familier. Le parachute permet, avec ses surfaces et masses acceptables, de réduire la vitesse de descente à environ 8-12 m / s. Mais il ne pourra pas faire un atterrissage en douceur. Cela nécessite des moteurs de freinage et des amortisseurs supplémentaires. Seuls des amortisseurs peuvent être utilisés. Si nous voulons faire atterrir une unité de fusée avec une surcharge de 2g uniquement à l'aide d'amortisseurs et à une vitesse de 8 m / s, alors idéalement une course d'amortisseur de 1,63 mètre est nécessaire. La course de choc requise est proportionnelle au carré de la vitesse de chute et est inversement proportionnelle à la surcharge. À propos, la formule de calcul est facilement dérivée de la loi de conservation de l'énergie. Vous avez juste besoin d'assimiler l'énergie cinétique au potentiel. Mais continuons avec les parachutes.Le parachute a une mauvaise propriété.
Un parachute de canopée classique ne fournira pas un atterrissage précis. La plate-forme avec elle est inutile, et au sol la fusée atterrira sur un monticule ou dans une forêt. Pour maintenir l'intégrité de l'unité de missiles, elle doit atterrir uniformément sur tous les supports, verticalement ou latéralement. Après cela, il ne doit pas rouler, tomber ou rouler. Cela ne fonctionnera pas sur un site non préparé et sans niveau. Beaucoup se souviennent comment l'imperfection des algorithmes de stabilisation des barges de SpaceX a conduit à la chute ultérieure de l'unité de fusée. Ce sera la même chose sur une surface courbe. Même posée sur le côté, l'unité de missile sur une plate-forme incurvée se brisera simplement, comme lors des tests des unités latérales du lanceur Energia.
Schéma du retour de l'unité latérale du LV "Energia" (http://www.buran.ru)
Des tests de largage de blocs ont montré que lors de l'atterrissage, ils avaient subi des dommages qui n'impliquaient pas leur utilisation ultérieure. Il ne s'agissait même pas de tester le reste des étapes de vol.
Sachant cela, les développeurs ont commencé à proposer activement des parachutes à ailes guidées, qui vous permettent théoriquement d'abaisser la charge à l'emplacement exact. Mais de tels développements se heurtent à l'imperfection des algorithmes de contrôle dans des conditions environnementales en évolution rapide (vent, rafales, etc.). Maintenant SpaceXtestent activement cette technologie pour abaisser les volets de carénage. En plus d'un parachute guidé, ils utilisent un navire avec un énorme filet, qui se déplace constamment pour tenter d'attraper la ceinture. Jusqu'à récemment, les résultats n'étaient pas très positifs, mais pas désespérés non plus. Et plus récemment, les volets de carénage sont de plus en plus pris dans le filet.
Navire SpaceX pour attraper les volets de carénage
Pour résoudre le problème de l'atterrissage en douceur de l'unité de fusée parachutiste, mes collègues, S.V. Antonenko et S.A. Belavsky, une prise en charge par hélicoptère de l'unité de fusée parachutiste a été proposée.
Schéma de ramassage par hélicoptère de l'unité de fusée
L'avantage de ce schéma est que vous n'avez pas besoin de penser à un site préparé et que vous n'avez pas besoin de dépenser de la masse supplémentaire sur des dispositifs d'atterrissage (amortisseurs). De plus, le schéma de ramassage des objets de parachutisme dans le monde est bien développé et ne soulève pas de grandes questions. Si une prise en charge est nécessaire en mer, des plates-formes offshore peuvent être utilisées. La limitation de ce schéma est la masse de l'unité de fusée et la capacité de charge de l'hélicoptère. Ainsi, le plus grand hélicoptère du monde, le Mi-26, ne pourra pas ramasser plus de 16 tonnes. Les missiles de la famille «Angara» ont une unité de fusée pesant environ 11 tonnes, tandis que l'unité de fusée du lanceur Falcon-9 pèse déjà environ 23 tonnes.
Je pense que nous en avons fini avec les parachutes. Comment pouvez-vous vous passer de parachutes? Pour cela, des moteurs peuvent être utilisés pour décélérer la fusée avant d'atterrir à des vitesses de l'ordre de 1 à 2 m / s. Il est plus difficile d'atterrir plus précisément, mais à l'avenir, je pense que nous pourrons parler de 0,5 m / s et moins. Les dernières miettes doivent être amorties par de petits amortisseurs. Il convient de garder à l'esprit que ce schéma nécessite un atterrissage sur un site préparé et l'orientation correcte de la fusée lors de l'émission d'une impulsion de freinage. Autrement dit, nous avons besoin de contrôles et de stabilisation. A ce stade du développement de la technologie, de tels systèmes de contrôle ne posent pas de problèmes particuliers. Les algorithmes de contrôle, de guidage et d'atterrissage peuvent également être créés et développés. Et les commandes sous forme de moteurs à réaction à gaz et de gouvernails aérodynamiques deviennent déjà des classiques.Les amortisseurs d'atterrissage sont également assez bien développés aujourd'hui et élaborés en au moins deux versions, à partir deSpaceX et Blue Origin . En outre, avec cette méthode d'atterrissage, il existe des tâches d'amortissement des composantes horizontales de la vitesse et des vitesses angulaires. Mais tout cela est également résoluble et a même bien fonctionné.
Atterrissage des blocs latéraux Falcon Heavy LV
On constate qu'un tel schéma d'atterrissage (atterrissage) est déjà bien développé et ne cache pas des problèmes insolubles.
Nulle part
Il s'agit probablement de méthodes d'atterrissage. Mais comment vous trouvez-vous dans une zone donnée ou sur un site préparé? Les avions de type planeur avec une aile, en raison de la qualité aérodynamique, comme je l'ai écrit plus tôt, convertissent assez bien la vitesse verticale en vitesse horizontale. Par conséquent, ils atteignent souvent seuls la piste d'atterrissage. Et si la plage de vol n'est pas suffisante, des moteurs d'avion à réaction supplémentaires sont utilisés.
Les blocs de fusée des schémas classiques ont peu de possibilités d'ajuster la portée en installant des gouvernails aérodynamiques. Ils peuvent également effectuer des ajustements de plage lors de l'application d'une impulsion de freinage pour réduire le flux de chaleur. Mais souvent, ces gammes peuvent ne pas suffire. Jetons un coup d'œil au schéma le plus attrayant du point de vue logistique, lorsque les unités de fusées reviennent au cosmodrome et qu'elles n'ont pas besoin d'être transportées en plus sur des distances considérables. Ainsi, pour mettre en œuvre le schéma avec un retour au point de départ, après la séparation de l'unité de fusée, une activation supplémentaire du moteur de fusée est utilisée. Dans ce cas, le moteur est orienté de manière à simultanément réduire la vitesse de vol et régler la vitesse de retour vers le site d'atterrissage.
Le principal avantage d'une telle impulsion corrective est qu'après cela, l'unité de missile effectue le réglage de la portée principale tout en se déplaçant pratiquement dans un espace sans air. Une telle impulsion peut être utilisée non seulement pour retourner au cosmodrome, mais aussi pour atterrir sur presque n'importe quel site.
Schéma de vol du Falcon-9
Pour les unités de fusée avec parachutes, il est également possible d'utiliser des combinaisons d'impulsions de correction et de freinage des moteurs de fusée, entre autres, ainsi que de contrôler les gouvernails aérodynamiques. Mais il faut garder à l'esprit que le parachute gagnera encore une erreur aléatoire jusqu'à plusieurs kilomètres lors de son fonctionnement. J'ai écrit sur une aile de parachute contrôlée.
Conclusion
J'ai donc examiné toutes les étapes du vol des unités de fusée réutilisables et essayé d'expliquer de manière accessible ce qui et pourquoi devrait être fait à ces étapes pour que l'unité de fusée réutilisable revienne saine et sauve. En réalité, bien sûr, il y a plusieurs ordres de grandeur plus de questions et de nuances, mais les questions que j'ai examinées sont les principales et décisives pour le futur schéma d'une unité de fusée réutilisable. Résumons les schémas de mise en œuvre de blocs de fusée réutilisables. Les principaux à mon avis sont:
- Bloc ailé avec atterrissage horizontal de l'avion.
- Atterrissage dynamique de fusée.
- Prise en charge par hélicoptère des unités de roquettes parachutistes.
Ce sont les schémas les plus mis en œuvre et les plus développés, mais vous pouvez combiner votre propre schéma en fonction de vos préférences personnelles. Mais après cela, le nouveau schéma doit être soigneusement calculé afin d'être sûr qu'il est réalisable et que vous ne rencontrerez pas de problèmes insolubles. Je ferai une réserve tout de suite que chacun des schémas a ses propres nuances et limites de réalisabilité. Chacun a ses propres pertes de masse de charge utile, pertes de coût et complexité de résolution des problèmes. Mais plus à ce sujet une autre fois.