bigphils (bigphils) wrote,
bigphils
bigphils

Category:

Есть ли какая-нибудь надежда на лунную базу? Часть 2

Окончание. Часть 1.

Тяжёлый ракетоноситель


Сатурн-5 (НАСА)
В самом начале «Созвездия» в 2005 году, НАСА выдвинуло следующую рекомендацию: «Для системы запуска следующего поколения как для пилотируемых полётов на НОО, так и для грузовых полётов 125-тонного класса для исследований вне орбиты Земли нужно стремиться реализовывать архитектуру, производную от шаттла. После тщательного анализа нескольких ... вариантов для пилотируемых и грузовых полётов, у вариантов, производных от шаттла, были обнаружены значительные преимущества в отношении затрат, планирования, безопасности и надежности.» (Arch. Study, 2005 стр.47)

Несмотря на эти преимущества, система Спейс шаттл как ключевой кандидат имела фундаментальный недостаток: ограниченную грузоподъёмностью. Едва ли она могла служить тяжёлым носителем для лунной миссии.

Действительно, Сатурн-5 якобы поднимал на НОО полезную нагрузку около 120 тонн, в то время как системы Спейс шаттл ограничены полезной нагрузкой около 100 тонн, включая орбитер. Перепроектирование этих систем представляет собой совершенно новую задачу (см. ниже).

Не удивительно, что НАСА продолжает изучать подходящие варианты различных мощных ракет для полётов на Луну и далее. Кажется логичным, если бы следующее поколение ракетоносителей учитывало достижения системы Сатурн-5, созданной во времена «Аполлона».

Двигатели первой ступени (F-1): Успех программы «Аполлон» во многом основывался на работе ракеты Сатурн-5 с пятью большими двигателями F-1 на первой ступени, которые, как утверждалось, были самыми мощными ракетными двигателями когда-либо построенными. Однако во всестороннем 750-страничном исследовании архитектуры двигатель F-1 ни рассматривается как запасной вариант, ни анализируется в качестве прототипа для дальнейшей разработки. В этом подробном обзоре потенциальных возможностей НАСА в ракетной науке и технике он расплывчато упоминается всего один раз. (Arch. Study, 2005 стр.467)


Двигатель F-1 (Rocketdyne)
Вместо этого через четыре года после старта «Созвездия», НАСА не приняло чёткого решения относительно того, на чём должен быть основан следующий тяжёлый ракетоноситель. К середине 2009 года комиссия Огустина всё ещё пыталась выбрать между только что предложенной «архитектурой носителей, основанных на шаттле Арес-1 + Арес-5; и «супер-тяжёлым» носителем, происходящим от наследия программы развития одноразовых ракетоносителей.» (Augustine, 2009 стр.64)

Последние были носителями средней грузоподъёмности, обычно используемые НАСА в недавних беспилотных миссиях. Ракеты Арес были частью «Созвездия». И снова комиссия Огустина не упоминает ни Сатурн-5, ни двигатель F-1.

Кроме того, Управление общего учёта указывает на проблему, выявленную в ходе ранних исследований и моделирования нового пилотируемого ракетоносителя Арес-1: «Моделирование показывает, что осцилляции тяги на первой ступени вызывают недопустимые структурные вибрации. Существует вероятность того, что частота и амплитуда осцилляций тяги могут выходить за пределы проектных требований к конструкции Ареса (курсив мой).»

Затем Управление общего учёта продолжает: «Целевая группа НАСА изучила этот вопрос и предложила варианты устранения, в том числе установку на первой ступени поглотителей вибрации и пересмотр части конструкции «Ориона» для изолирования экипажа от вибраций ... Неспособность полностью исследовать полётные характеристики модифицированного носителя может способствовать аварии конструкции и потере управления ракетой.» (GAO, 2008 стр.10)

Это заявление имеет исторический аспект. Та же проблема – то есть структурные вибрации корпуса ракеты, вызванные вибрацией камер сгорания двигателей первой ступени – была зафиксирована 4 апреля 1968 года, во время второго теста Сатурн-5, известного как Аполлон-6, после его беспилотного запуска. Так называемые вибрации пого оказались настолько велики, что были признаны угрозой для здоровья и выживания экипажа, и для целостности полезной нагрузки, в том числе лунного модуля (ЛМ). Даже в то время было признано: «Если бы на борту Аполлона-6 были люди, экипаж, наверное, прервал бы полёт во время пого, когда их бы так сильно мотало, что они не смогли бы работать в космическом корабле.» (Apollo, 1989 стр.314)

Тем не менее, после проблемного запуска в апреле, без каких-либо дальнейших испытательных запусков, согласно сообщениям НАСА, в декабре 1968 года Сатурн-5 успешно вывел Аполлон-8 в пилотируемый полёт вокруг Луны. Много позже, во время третьего беспилотного запуска Сатурн-5 со Скайлэб на борту, проблема вибрации вернулась. Во время старта 14 мая 1973 года станция Скайлэб была сильно повреждена из-за сильной вибрации первой ступени ракеты. Одна солнечная панель оторвалась от корпуса станции, серьёзно нарушив её работу. В связи с ущербом, в течение какого-то времени станция считалась потерянной.

И всё же напрашивается вопрос: как же Сатурну-5 удавалось отлично работать с 1968 по 1972 годы, а затем, примерно через шесть месяцев после окончания миссий «Аполлон» пасть жертвой той же проблемы, которая существовала при его рождении? Потому что, несомненно, успешные миссии на Луну пришлись на время между вторым и третьим беспилотными запусками Сатурн-5.

Этот исторический экскурс может помочь понять недавние процессы принятия решений в НАСА во время разработки тяжёлой ракеты-носителя. НАСА не полагалось на наилучшие технологии «Аполлона» и, вместе с тем, испытывало трудности с выбором конструкции большого ракетоносителя. Оно столкнулось с огромными проблемами вибрации двигателя, аналогичными тем, которые имели место во время, как минимум, двух беспилотных запусков Сатурн-5.

В середине 2009 года, спустя 18 месяцев после первого упоминания вибраций первой ступени, Управление общего учёта признало, что во время работы над докладом комиссии Огустина у НАСА всё ещё были проблемы с вибрацией на Арес-1: «Другой, связанной с вибрацией проблемой, является виброакустика – давление звуковых волн, производимых работой первой ступени Арес-1 и ускорением ракеты сквозь атмосферу, что может вызывать недопустимые структурные вибрации Арес-1 и Ориона. По мнению чиновников агентства, НАСА до сих пор определяет, как эти колебания и акустическая среда могут влиять на носитель.» (GAO, 2009 стр.13)

Комиссия Огустина выразила аналогичные озабоченности по поводу ракеты Арес-1, но не предложила никакого разумного решения. «... НАСА посчитало, что первоначальный план использовать основные двигатели Спейс шаттла на верхней ступени Арес-1 будет слишком дорого ... Но у нового двигателя меньше тяга, и он менее экономичен по топливу, поэтому твёрдотопливные ракеты первой ступени должны быть модифицированы для увеличения общего импульса. Это, в свою очередь, добавило вибрации, устранение которой в полной мере всё ещё не продемонстрировано.» (Augustine, 2009 стр.111)

Подводя итог, четырёхлетний период исследований и проектирования привёл к формулированию ключевых проблем, аналогичных имевшим место в беспилотных запусках Сатурн-5. Вскоре проектирование ракеты Арес было закрыто. Проблема вибрации Аполлона-6 якобы была решена к декабрю 1968 года, так как для ракеты-носителя Аполлон-8 было сделано следующее допущение: «Впервые новая система герметизации доклапанных полостей гелием будет работать на S-IC. В этой системе доклапанные полости жидкого кислорода заполнены гелием для создания накопителей или "амортизаторов" гашения колебаний. Эта система была установлена ​​для предотвращения чрезмерных продольных колебаний, происходивших во время (так в оригинале) полёта Аполлона-6.» (Ap-8 PK, 1968 стр.47)

Если проблема вибрации действительно была разрешена, то нужно с неизбежностью сделать вывод, что в момент аварии Скайлэб это решение не было применено, и по сей день оно не считается применимым решением для будущих космических полётов. Таким образом, диагноз тот же, повторю, что в этом отношении нет надежды на опыт «Аполлона» – все якобы успешные запуски Сатурна-5 в девяти пилотируемых полётах «Аполлона» сомнительны.


Двигатель J-2X
Двигатели второй ступени (J-2X): Чем бы ни была первая ступень тяжёлого носителя, для второй ступени без сомнений был выбран водородный двигатель J-2X. Рекомендуемая ступень ракеты для ухода с орбиты Земли также будет использовать J-2X. Это означает разработку модифицированного двигателя, как производного от двигателя верхней ступени J-2, использовавшегося на системе Аполлон-Сатурн.

Наряду с двигателем F-1, двигатель J-2 был основой успеха «Аполлона». Двигатель имел тягу, которая не могла быть обеспечена какими-либо другими средствами сопоставимого размера и веса, и это было важно, во-первых, для вывода полезной нагрузки на НОО, а затем для запуска лунного комбо (командный и служебный модули) КМ/СМ на Луну. После миссий «Аполлона» двигатель J-2 не использовался, кроме одного запуска ракеты Сатурн-1Б в 1975 году для космического рандеву с кораблём «Союз» на НОО (проект «Союз-Аполлон»).

В начале «Созвездия» НАСА было полно решимости модифицировать J-2, хотя агентство и призналось, что имелись проблемы: «Использование двигателя J-2S для разгонной ступени (Earth Departure Stage, EDS) связано с повышенным риском, потому что двигатель J-2S ещё ни разу не летал. J-2S (simplified – упрощенный J-2) был разработан для замены двигателей J-2 верхней ступени носителя Сатурн ... Таким образом, расчётное время в 4 года для квалификации, производства и тестирования двигателя сопряжено со значительным риском для программы.» (Arch. Study, 2005 стр. 8)

После того, как уже три-четыре года шли работы по анализу и проектированию, Управление общего учёта внесло предположение о требуемом времени и интенсивности этого перепроектирования: «График разработки J-2X является чрезвычайно распараллеленным и интенсивным, выделяя меньше 7-ми лет от начала разработки до первого полёта.» (GAO, 2008 стр.12)

Если этот двигатель действительно надёжно работал 40 лет назад, почему, при нынешнем быстром прогрессе в технологиях, теперь требуется целых семь лет для его перепроектирования? И почему перепроектирование, которое будет параллельным, вызвало беспокойство? Естественно, НАСА должно было полагаться на свой опыт с системами «Аполлона» в аналогичных параллельных разработках.

Управление общего учёта сделало поразительный вывод о двигателе верхней ступени J-2X: «Хотя J-2X основан на двигателях J-2 и J-2S, использовавшихся на Сатурн-5, ... количество запланированных изменений таково, что, согласно наблюдательному совету НАСА, это, по существу, представляет собой разработку нового двигателя.» (GAO, 2008 стр.10)

Как такой вывод можно сравнить со всей разработкой космического корабля «Аполлон», который был завершён в середине 1960-х за семь лет, и был на самом деле новым и шёл параллельно с несколькими другими ответственными разработками – и всё это было выполнено впервые?

В конце концов, создание тяжёлой ракеты как ключевой компоненты «Созвездия» было прекращено к 2010 году. Пилотируемый носитель Арес-1 был испытан в беспилотном полёте всего однажды, в октябре 2009 года, и уже тогда было ясно, что у него нет будущего. Не было никакого расчёта на ключевые элементы Сатурн-5, такие как мощный двигатель первой ступени F-1, и было очень мало надежды на двигатель второй ступени J-2.

Как оказалось, в «Созвездии» новая лунная ракета основана на новых разработках, не связанных с Сатурн-5. Более того, легендарный двигатель F-1 даже не упоминается в современных документах НАСА. Как если бы он никогда не существовал. В то время как у НАСА нет подходящего тяжёлого ракетоносителя, это замалчивание подразумевает, что НАСА также не уверено в технологических возможностях «Аполлона».

Вывод

В апреле 2008 года Управление общего учёта видело в ключевых технических элементах космической программы «Аполлон» запасной вариант для разрабатываемой системы. Тем не менее, вполне возможно, что с течением времени становилось ясно, что вспомогательные решения из предыдущего опыта НАСА не всегда были доступны. Какие бы ни были реальные причины отсутствия желания по лунным вопросам опираться на информацию «Аполлона», к середине 2009 года правительство США осознало невозможность завершения программы «Созвездие» в первоначально выделенный срок 15-ти лет.

Управление общего учёта отмечает, что оно сообщало о «технических проблемах в прошлом, в том числе осцилляции тяги, системы тепловой защиты ... и соплового насадка J-2X». Управление продолжает: «В дополнение к этим проблемам наша недавняя работа выявила и другие технические сложности, в том числе контроль веса Ориона, виброакустика, дрейф при взлёте, система аварийного спасения и требования безопасности.» (GAO, 2009 стр.10)

Управление общего учёта выявило многочисленные технические риски для старта ракеты, для разработки Ориона и, в целом, для современной экспедиции на Луну. Многие проблемы, выявленные в 2005-2009 годах, удивительно похожи на те, с которыми уже сталкивались и, конечно, разрешили для успеха легендарной программы «Аполлон».

Когда стартовала новая программа, в НАСА жизнеспособность старой была с неизбежностью поставлена под сомнение. Если не так много опыта могло быть унаследовано от легендарной программы «Аполлон», то сейчас встаёт большой вопрос о том, как такая программа могла быть выполнена 40 лет назад. НАСА по-прежнему сталкивается с техническими проблемами, которые, казалось, были решены 40 лет назад. Общая идея последних докладов НАСА состоит в том, что технологии путешествия на Луну не доступны. Также нет ни ракеты, ни даже модуля для безопасной доставки экипажа и его возвращения на Землю.

Взлёт с поверхности Луны, который не был проблемой в эпоху «Аполлона», теперь является проблемой из-за осознаваемых трудностей подъёма из так называемого глубокого гравитационного колодца. Кроме того, НАСА признаёт, что агентство не имеет достаточного понимания радиации за пределами НОО. Если хотя бы одно важное звено в проекте посещения Луны отсутствует, то вся программа становится невозможной.

Одним из таких звеньев, конечно, является тепловой экран возвращаемого модуля, который по-прежнему ещё предстоит разработать. Без эффективного и надёжного щита любые пилотируемые лунные миссии будут дорогой в один конец, без возможности возврата.

Бывший директор компании «Локхид Мартин» Том Янг недавно признал, что НАСА находится на «ниспадающей траектории». Астероиды и точки Лагранжа «могут быть ступеньками», но они не «вдохновляют», в то время как есть всего несколько «практических» направлений – Луна, спутники Марса и сам Марс. (Young, 2013) Так что, идея построения обитаемой лунной базы, изначально воодушевлявшая нас (Arch. Study, 2005, стр. 56), до сих пор актуальна.

В свете вышеуказанных и многих других недавних открытий, для честного выявления ключевых проблем и для расчистки пути вперёд к прагматическим решениям, не будет ли более продуктивным, наконец, признать, что пилотируемые полёты «Аполлона» на Луну, якобы совершённые четыре десятилетия назад, не имели места?

Фил Коутс
Aulis Online, июнь 2014


Об авторе:

Фил Коутс живёт и работает в Новой Зеландии.

Фил Коутс имеет докторскую степень по прикладной физике, и он приобрёл значительный опыт в прикладных исследованиях, работая научным сотрудником в различных университетах в Великобритании, а также в менеджером в исследовательских и конструкторских бюро частных компаний.

Он пишет под псевдонимом, чтобы дистанцировать свою профессиональную деятельность от своих интересов. С ним можно связаться по электронной почте philkuts@gmail.com


Ссылки:

Ap-8 PK, 1968: NASA, "Apollo 8 Press Kit" (No. 68-208), 15 December 1968, http://tinyurl.com/nz4kryl

Apollo, 1989: Murray, Charles and Catherine Bly Cox, Apollo: The Race to the Moon, Simon & Schuster, New York,1989

Arch. Study, 2005: NASA, "NASA's Exploration Systems Architecture Study – Final Report" (NASA-TM-214062), November 2005, http://tinyurl.com/kd33me7

Augustine, 2009: Review of U.S. Human Spaceflight Plans Committee, "Seeking a Human Spaceflight Program Worthy of a Great Nation", October 2009, http://tinyurl.com/ygcz243

GAO, 2008: Government Accountability Office, "NASA: Ares I and Orion Project Risk and Key Indicators to Measure Progress" (GAO-08-186T), 3 April 2008, http://tinyurl.com/lr3edy

GAO, 2009: Government Accountability Office, "NASA: Constellation Program Cost and Schedule Will Remain Uncertain Until a Sound Business Case Is Established" (GAO-09-844), August 2009, http://tinyurl.com/mshm6kv

NASA News, 2006: "NASA Developing New Heat Shield for Orion", 13 September 2006, http://tinyurl.com/qykr3v6

NCRP, 2006: NCRP, "Information Needed to Make Radiation Protection Recommendations for Space Missions Beyond Low-Earth Orbit", Report No. 153, 2006, http://tinyurl.com/pqmnhxy

NRC, 2008: National Research Council, Managing Space Radiation Risk in the New Era of Space Exploration, The National Academies Press, Washington, DC, 2008, http://tinyurl.com/ovfa9fa

Orion Factsheet, 2012: NASA, "Orion Exploration Flight Test-1", 18 May 2012, http://tinyurl.com/kjyyc9k

Pres. Speech, 2010: NASA, "President Barack Obama on Space Exploration in the 21st Century", 15 April 2010, http://tinyurl.com/y35g9gt

Young, 2013: SpacePolicyOnline.com, "Tom Young: NASA on Declining Trajectory, Beware Unintended Consequences of SLPA", 1 March 2013, http://tinyurl.com/ojzqpfj


Эта статья также опубликована в журнале «NEXUS». Том 21 No.5


Эта статья лицензирована
Creative Commons License


Также смотрите:

Tags: aulis, constellation, moonbase, orion, phil kouts, Арес, Сатурн-5, Скайлэб
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 3 comments

Suspended comment

Скоро это сколько? Думаю, не менее 100 лет пройдёт, прежде чем кто-то начнёт всерьёз на Луну собираться.

Suspended comment