Как сделать ракету на луну
Любительское ракетостроение, как я делаю ракеты и мои ошибки на которых я учусь (part 1)
Написанное в этой статье не является инструкцией к применению. Вы всё делаете на свой страх и риск. Соблюдайте технику безопасности
Корпус — варианты материала и различные факторы выбора корпуса
Корпус каждый для своей ракеты выбирает свой и для каждого в приоритете свои факторы выбора материала. Я выбираю корпуса с учётом на наименьший вес и наибольшую прочность. Вес нужно уменьшать для более стабильного и высокого полёта, а прочность нужна что-бы корпус в полёте не расплавился и не разлетелся от давления.
Сначала я выбирал ПВХ трубки для корпусов ракет. Они достаточно прочны, но весят не то что-бы сильно много, но вес нужно сводить к минимуму. Именно из-за веса я потерпел фиаско в пробных запусках, но об этом позже.
После я искал другие материалы или новую технику изготовления корпуса и нашёл технику склеивания бумаги в тубус. После суток клей застывает и корпус становиться прочным как ПВХ труба и в теории легче. Пока-что я эту технику не проверял, но в теории всё звучит достаточно заманчиво.
Виды топлива и двигателей
Топливо
Чаще всего в любительском ракетостроении используются твердотопливные двигатели. Так как для жидкого топлива нужны системы трубопроводов, отдельная камера сгорания, для твёрдого топлива сам двигатель является камерой сгорания и больше ничего от двигателя не требуется.
Есть много твёрдого ракетного топлива, но для любительского ракетостроения подходит больше всего карамельное топливо. Оно достаточно лёгкое в изготовлении и не такое уж и милое как его название. Это топливо достаточно мощное и при правильном его изготовлении выдаёт внушительную тягу.
Состав этого топлива следующий: 70% калиевой селитры, 25% сахарной пудры и 5% древесного угля. Это топливо сильно воспламеняется при малых температурах. Будьте максимально аккуратны.
Двигатели
Давайте сначала разъясним каких размеров сам двигатель и куда он ставится. Двигатель не должен быть размером во весь корпус. Лично я выбираю вариант размера двигателя разделяя высоту основного корпуса на 1.5. В корпусе должно оставаться ещё место для электроники, парашюта, и разных датчиков температур и высоты. Это свободное место называется «Отсек полезной нагрузки». Сам корпус для двигателя выбирается по тому-же принципу как и основной корпус, нужна наименьшая масса и наибольшая прочность.
Пробные запуски и возможная причина неудач
Вот видео первого пробного запуска двигателя от моей ракеты Starship-1
В видео видно что в начале двигателю не хватает тяги и он поднимается только когда заканчивается топливо. Скорее всего проблема недостатка тяги возникла из-за маленького отверстия под сопло. В результате была маленькая струя подачи тяги и двигатель поднялся в воздух только когда заканчивалось топливо. Но проблема скорее всего не только в подаче тяги, но и в массе двигателя. Эта тяга не могла поднять ПВХ трубу ещё и топливо в нагрузку.
Вывод: проблемы с двигателем возникли в результате:
Ракета на палочке
Всем привет! Меня зовут Илья!
Если вы читали мою прошлую статью, то наверное уже знаете что я увлекаюсь любительским ракетостроением. Это сложная и долгая тема. Давайте сейчас не будем строить большую ракету, а в этой статье давайте поговорим о чём-нибудь попроще. Ну, например о самой простой ракете с палочкой-стабилизатором.
Исторический экскурс
Простые китайские ракеты
Здесь может быть потенциальная тема для святых войн. Дело в том, что далеко не всех устраивает применение термина «стабилизатор» к какой-то там палке или рейке. В ракетостроении (как авиации и судостроении) обычно под термином «стабилизатор» понимаются плоскости или решётки (набор плоскостей), обеспечивающие устойчивость движения ракеты\самолёта\судна. В случае палочки никакой плоскости нет, и это вызывает предмет для споров. Но, по факту, палочка выполняет роль стабилизатора, обеспечивает устойчивость полёта. Скажем так, назовём эту палку подсистемой стабилизации ракеты, а именно «автоматом стабилизации из веревки и палок».
сэр Уильям Конгрив младший
Пионером ракетостроения в Европе был Уильям Конгрив младший. Благодаря его разработкам и успешному применению ракетной артиллерии при бомбардировке Булони и Копенгагена, началось активное внедрение ракет и развитие ракетной теории и инженерных практик. Ракету Уильям разрабатывал не с нуля, а с привезённой его отцом, Уильямом Конгривом старшим, майсурийской ракеты из Индии. В XVIII веке Индия была колонией Англии, однако отдельные княжества, например, Майсурийское, активно сопротивлялось и воевало с англичанами на протяжении 40 лет и применяло против оккупантов ракетное вооружение.
Майсурийские ракеты (иллюстрация)
Ракета Конгрива
А. Д. Засядко
Ракета Засядко
Разработанные им ракеты имели дальность полёта до 6 000 метров (английские ракеты Конгрива — до 2 700 метров). Высчитал, сколько пороха потребуется для полета такой ракеты на Луну. Построил ракетную пусковую установку, с которой можно было произвести залп сразу шестью ракетами.
К. И. Константинов
Н. И. Кибальчич
Немаловажным будет упомянуть так же и революционера-народовольца Николая Ивановича Кибальчича. Кибальчич известен как главный техник, создатель бомбы, с помощью которой «производилась казнь» Императора Александра II. Конечно, можно по-разному относиться к личности в истории, но неоспоримым будет факт, что Н. И. Кибальчич был блестящим учёным-инженером, пусть и самоучкой. Помимо создания метательных снарядов с «гремучим студнем», Кибальчич занимался и другими вопросами, увлекался химией и физикой. Он рассчитал способы обеспечения программированного режима горения пороха, разработал методы сжигания, устройства, подающие топливо и регулирующие этот процесс с помощью автоматических часов.Так, например в последние дни своей жизни, перед смертной казнью, после убийства императора Александра Второго, Кибальчич разрабатывал, рассчитывал и подробно описал устройство ракетного летательного аппарата, по задумке способного достигнуть космоса и осуществить торможение об атмосферу при спуске (задолго до К. Циолковского). Н. И. Кибальчич перешёл от простейшей палочки к вопросам стабилизации полёта ракеты крыльями-стабилизаторами и даже управляемому вектору тяги.
Летательная машина Кибальчича О революционерах ракетостроения
Похоже, грань законности в ракетостроении всегда была очень шаткой. Не буду выдвигать тезис, что убийство Александра II сделала эту тему больной для Российской Империи и её наследницы, России, но параллели прослеживаются. Почти все движения, технологии связаны с именами лиц, занимавшихся военными, боевыми ракетами. Все остальные идеи, как правило, даже в случае с Циолковским реализованы на практике не были, и оставались лишь написанными на бумаге. Такое положение, впрочем, сохраняется и по сей день, когда государство имеет монополию на небо, и реализует в основном военные проекты. Гражданское ракетостроение, тем более частное, если и существует, то как исключение, или побочный элемент военного ракетостроения, и используется для имиджевых целей.
Но где-то на этом моменте мы рискуем оторвать палочку от ракетного двигателя, поэтому я перейду к следующей части.
Моделирование полёта ракеты
Ракеты должны пронзать небо! Но я написал немаленький исторический экскурс о заре европейского ракетостроения, которое почти целиком и полностью посвящено ракетной артиллерии. А артиллерия не стреляет вертикально вверх. Что интересного, и сложного, сами по судите в том, чтобы запустить ракету вверх? Она поднимется и упадёт обратно. Конечно, это сарказм, но есть в этом доля правды. Случай запуска ракеты под углом сложнее вертикального. Потому что помимо вертикальной составляющей сил к расчётам добавится и горизонтальная составляющая. Итак, появится баллистика. Давайте посмотрим на модель полёта простейшей ракеты с палочкой-стабилизатором.
Задачи баллистики известны ещё с курса школьной физики с задачами вида «снаряд/камень брошенный под углом к горизонту». В целом, я надеюсь, большинство знакомых с физикой людей, умеют решать такие задачи.
Типичная задача про брошенный под углом к горизонту снаряд
За основу берётся уравнения кинематики для движения материальной точки. Тело, брошенное под углом α к горизонту запускается с какой-то начальной скоростью v0 и во время описывает траекторию в виде параболы (из-за того, что на тело действует сила гравитации) и достигает высоты h, перемещается на расстояние L за время T. Для расчёта используются простые формулы из баллистики, полученные из общей векторной записи.
Типичная тяга ракетного бессоплового модельного двигателя
Итак, у нас ускорение будет меняться со временем, то есть ускорение будет какой-то функцией a(t). Функция a(t) берётся в зависимости от характеристик двигателя, и массы ракеты (согласно второму закону Ньютона a(t) = F(t)/m. То есть, в расчётные баллистические формулы следует добавить формулы расчёта скорости давления исходя из рабочего давления двигателя:
Зная давление внутри двигателя, можно найти тягу:
Можно рассчитать альтернативно,
Ну или оставить всё как есть, рассчитать отдельно и использовать как из таблицы значений 🙂
В любом случае, тот факт, что значение ускорения у нас меняется со временем приведёт к тому, что решения для расчёта характеристик нашей ракеты на активном участке не будет в аналитическом виде. Но, к счастью, можно всё рассчитать в численном виде.
Но большого прока от таких расчётов не будет, потому что мы не учитываем и другие факторы, которые будут влиять на расчётные результаты, а именно: кривизна земли (для небольших ракет этим можно пренебречь), неравномерность плотности\давления воздуха (на небольшой дальности и высоте этим тоже можно пренебречь), а так же сопротивлением воздуха. И вот сопротивлением воздуха пренебрегать нельзя. Сила сопротивления воздуха оказывает огромное влияние на результат полёта ракеты. Поэтому добавляем её в модель.
Ракета рыскает, в данном случае ракету стабилизирует управляемый вектор тяги
Наконец, чтобы модель была честной, стоит сказать, что ни одна ракета не летит прямо. Ракета всегда старается развернуться относительно набегающего потока боком, на какой-то угол.
Cf(t). И, пожалуй, для простоты я не буду упоминать класс задач в баллистике про «качающиеся» снаряды и расчёты для них. Их, конечно тоже можно смоделировать.
Моделирование аэродинамических потоков и отклонения пули
В конечном итоге, для составления модели и получения решения для нашей самой простой ракеты мы получим сравнительно тяжелую систему дифференциальных уравнений, которую можно решать численными методами, такими как методом простых итераций, методом ньютона, методом бисекции, методом хорд, или методом Рунге-Кутты. Такие решения, конечно производят на ЭВМ. Об этом есть отличная статья на Хабре.
Запускаем эмпирическую ракету
Показать смещение по азимуту очень сложно на фото, а я и не стараюсь
Палочка закреплена с какой-то стороны ракеты, что даёт смещение в эту сторону. Ну, вернее не совсем так. У нас появляется паразитный момент, хотя и небольшой. Но из-за того, что всё-таки ракета старается оставаться на траектории, что мы наблюдаем рысканье, что мы видим спиральный полёт по траектории, создаётся дополнительно момент вращения, который приводит к тому, что ракета начинает уходить в сторону. Такой эффект называется деривацией. Он возникает из-за гироскопического эффекта и эффекта Магнуса. В итоге, чтобы иметь более качественную модель, мы должны добавить ещё ось Z. Или сменить систему координат на цилиндрическую или полярную.
Эффект Магнуса
Знаете, это не мы первые столкнулись с этой проблемой в ракетостроении из палок и верёвок, но, спешу вас успокоить, что для уменьшения такого эффекта ещё сэр Уильям Конгрив младший пытался её решить. И придумал крепить палочку, а точнее «трубочку»-стабилизатор по центру, навинчивая оную прямо на сопло. И выходило неплохо.
Осветительная ракета с навинчиваемым стабилизатором
В заключение
И всё это для одной, простой маленькой ракеты. Чтобы построить модель, и понять, как она будет лететь. Люди тратили годы, свою жизнь на создание теории, проверяли её на практике, создавали технологию. Возможно, мы это делаем для того, чтобы достичь красивого полёта для модели. Хотя какая модельная ракета с обычной палочкой? Только если мы делаем модели 19-века? Возможно, мы рассчитываем сложное, пространственное геометрическое пиротехническое шоу? В любом случае, мы получаем знания, которые мы можем применить на практике, применить математические, физические и химические законы на практике, пощупать как оно работает. Ракетная наука, так сказать, на заднем дворе для гибкости ума.
Вместо запоздалого дисклеймера
Данная статья не претендует на научность. Мотивацией к написанию данной статьи является детская травма, что большинство знаний, которые система образования РФ впихивала в меня в школе и университете, как правило, не имело никакой мотивационной составляющей «зачем». «Зачем» нужны те или иные законы, формулы, методы и расчёты, кроме тренировки памяти и мышления? То есть, эти знания были оторваны от практики и экспериментов. Возможно, в СССР, специалистов обучали таким образом, что знания, полученные (хотя бы в институте), использовались в дальнейшем в работе, которая была по распределению. Но что-то мне подсказывает, что это и тогда было не (совсем) так. Это конечно объяснимо, что во время обучения база шире, чем то, что используется по факту в конкретной работе, но, чёрт подери, почему так занудно? Для чего всё это делать, откуда это всё взялось? Где и как применять эти самые численные методы? Я нередко смотрю курсы западных университетов или организаций, и обращаю внимание, что немалая часть из них содержит обоснование, практическое применение знаний, эксперименты. Например в NASA есть замечательный «Beginner’s Guide to Rockets», содержащий как теорию, так и набор готовых экспериментов. Умеют же!
Что почитать
Перестань грызть вафли. Как сделать космическую ракету быстрее, проще и дешевле?
Ракета «Союз-5» — носитель среднего класса, который должен прийти на смену «Зениту», единственной ракете, которую можно запускать с плавучего космодрома «Морской старт». Строить «Союз-5» начинают так: сначала плиту весом 650 килограммов размером 4,4 на 1,7 метра отливают на Каменск-Уральском металлургическом заводе в Свердловской области из типичного для России аэрокосмического сплава АМг6, который больше чем на 90 процентов состоит из алюминия, но содержит еще и магний, железо, титан, марганец и еще с полдесятка компонентов. Чтобы плита была ровной, ее несколько раз «прогоняют» на прокатном стане, под действием вальцов плита не только выравнивается, но еще и нагартовывается — то есть кристаллическая структура ее меняется, приобретая дополнительную прочность. Затем плиту везут примерно 900 километров на запад, в самарский «Прогресс».
Здесь ее фрезеруют с обеих сторон, удаляя все неровности и дефекты. На этом этапе в стружку превращается примерно 120 килограммов сплава АМг6. Похудевшую, но уже ровную плиту гнут — вальцуют, превращая ее в сектор цилиндра, а затем сваривают с двумя другими. Получившееся кольцо отправляется в другой цех, который почти целиком занимает фрезерный станок высотой в три человеческих роста.
Вертикальный фрезерный станок, который вырезает вафельный фон на уже сваренной обечайке бака.
Фреза вырезает на внутренней поверхности кольца одинаковые квадратные впадины размером примерно 10 сантиметров и глубиной в два. Это продолжается примерно месяц, к концу которого кольцо изнутри превращается в «вафлю», а каждая плита худеет до 110 килограммов. 16 таких колец ставят друг на друга — так получаются баки топлива и окислителя, из которых состоит корпус первой ступени ракеты-носителя «Союз-5».
Полубак для ракеты-носителя «Союз-5»
«Грызут вафли» не только на «Прогрессе». Алюминиевые плиты в клеточку лежат в цехах омского «Полета», где делают «Ангару», и по другую сторону океана, в цехах United Launch Alliance и на заводе в NASA, где строят сверхтяжелые носители SLS для будущих полетов на Луну и окололунную станцию. Чтобы сделать корпус ракеты, по сути, большую алюминиевую трубу — требуются гигантские цеха, специализированные и очень дорогие станки, месяцы времени и десятки тонн стружки.
Но можно делать иначе.
Под Москвой стоит неприметный бело-оранжевой ангар высотой в два этажа. Он совсем не похож на ракетный завод, к каким мы привыкли. Тем не менее, здесь, в «Центре разработок С7» собираются делать ракеты — пока не такие большие, как «Союзы», но вполне настоящие носители легкого класса, которые будут способны выводить на орбиту настоящие спутники. На следующей стадии их цель — создать ракету среднего класса, которая сможет заменить «Зенит» на плавучем космодроме «Морской старт», хозяином которого несколько лет назад стала S7. И кажется, им удалось найти способ не гонять поезда из Свердловской области, а потом еще и переводить тонны дорогого ракетного сплава в стружку.
Труба
Конечно, если присмотреться, начинаются нюансы. Если свернуть лист бумаги в трубку и склеить шов липкой лентой, такая труба удержит на себе небольшую стопку книг, если правильно распределить их вес. Этот тип конструкции, где обшивка является несущим элементом, в авиации называют монокок. Но стоит этой конструкции чуть-чуть отклониться от идеальной цилиндрической формы, прогнуться, она моментально схлопывается.
Чтобы это предотвратить, нужно или увеличивать толщину листа, или добавить внутрь силовой набор — ребра жесткости, продольные (стрингеры) и поперечные (шпангоуты). Таким образом из монокока вы получите уже полумонокок, очень популярный среди авиаконструкторов. Если подойти близко к любому самолету, вы увидите на его фюзеляже сотни и тысячи заклепок — это они держат обшивку на тех самых стрингерах и шпангоутах.
Корпус «Фау-2» покрыт множеством мелких «ямочек», оставшихся после сварки.
The Smithsonian Institution
Так же была устроена и самая первая ракета, способная выйти за пределы земной атмосферы — «Фау-2» (с той разницей, что для закрепления стальной обшивки толщиной в 0,6 миллиметра использовались не заклепки, а точечная электродуговая сварка — именно из-за неравномерного остывания металла после сварки обшивка «Фау» покрыта множеством «ямочек»).
Обшивка «Фау-2» изнутри
Imperial War Museums
Баки «Фау-2» на складе, захваченном британскими войсками
Imperial War Museums
Монококовая «Фау-2» тоже смогла бы взлететь, но ее конечная скорость была бы в полтора раза ниже, а дальность была бы не более 300 километров, а примерно 190, то есть до Лондона из деревни Вассенар в южной Голландии, где стояли пусковые установки, она бы уже не долетела. Не удивительно, что фон Браун решил прибегнуть к испытанным авиационным стрингерам и шпангоутам.
Ракета «Фау-2» в разрезе
Банка
После войны ракеты фон Брауна попали в руки к советским и американским инженерам. И они почти сразу задались вопросом: зачем в одну емкость (корпус ракеты) вставлять вторую (топливные баки)? Разве нельзя обойтись только одной?
Конечно, можно. Уже в 1949 году Сергей Королев читает в Бауманке курс лекций «Основы проектирования ракет дальнего действия», где описывает вариант ракеты с несущими баками, то есть баками, оболочка которых служит обшивкой корпуса ракеты и принимает на себя нагрузки.
Помимо очевидных преимуществ — снижение массы, упрощение конструкции — это инженерное решение давало возможность увеличить прочность баков за счет наддува. С этим эффектом сталкивается каждый из нас, когда пробовал смять банку газировки.
Смять пустую алюминиевую банку в плоский блин (например, наступив на нее ногой) намного проще, чем полную. Жидкость (и газ, если внутри газировка) давит на банку изнутри, что позволяет ей выдержать уже больше 200 килограммов.
Для того, чтобы такая ракета была прочной, с ней поступили точно так же, как с банкой выше: начали наддувать пустое пространство газом. Большая часть ракет, старт которых вы видели, представляют собой такие алюминиевые банки, только очень большие.
Несущие баки и наддув позволили ракетостроителям убрать из ракеты стрингеры и шпангоуты, избавиться от точечной сварки, а вместе с тем тысяч слабых место в обшивке, которая и так была тоньше бумаги.
Но совсем-совсем без силового набора обойтись не удалось. Прочность цилиндра — несущего бака — зависит от совершенства его формы, а сделать идеальный цилиндр высотой десятки метров очень трудно. Поэтому в ракетах оставили поперечный силовой набор — шпангоуты. Это позволило «разбить» один большой бак на множество виртуальных цилиндров поменьше, для каждого из которых масштаб допустимых отклонений был уже больше. Такая оболочка сопротивляется продольному сжатию в 1,6 раз лучше, чем гладкая. Несущие баки со шпангоутами стали основой конструкции главной советской ракеты, Р-7 — и всех ее наследниц, вплоть до современных «Союзов-2».
Бак центрального блока ракеты «Союз»: из силового набора присутствуют только шпангоуты. Шарообразные баки предназначены для газов системы наддува.
Вафля
Никому не хотелось покрывать тонкие стенки баков отверстиями под заклепки или шрамами от точечной сварки, и инженеры нашли выход: нужно сделать так, чтобы силовой набор составлял одно целое с обшивкой. Иначе говоря, нужно взять лист металла потолще и выфрезеровать в нем стрингеры и шпангоуты. Так в начале 1960-х появилась «вафля».
Типы вафельного подкрепления
Первой «вафельной» ракетой в СССР стала экспериментальная УР-200, где «вафлю» вытравливали химикатами (потом УР-200 стала основой второй ступени «Протона»). Ту же технологию использовал фон Браун для американских носителей серии «Сатурн», она же украшала изнутри подвесной бак шаттла, и современную SLS для полетов на Луну. Один из типов вафельного подкрепления — треугольный (isogrid) был запатентован в 1964 году и стал почти стандартом: его используют, например, для баков будущей ракеты «Вулкан».
Бак горючего (несимметричный диметилгидразин — НДМГ) первой ступени ракеты УР-200.
И это дает существенный выигрыш. Если бы баки первой ступени ракеты-носителя «Зенит» делали из гладкого листа, то при той же прочности она была бы тяжелее на 3,2 тонны, то есть ступень весила бы не 27,6 тонны, а 30,8 тонны — более чем на 10 процентов больше. Причем, это оптимистическая оценка, сделанная в предположении, что конструкция идеальна — в ней нет дефектов, малейших отклонений от идеальной цилиндрической формы, которые, как мы помним, могут привести к потере устойчивости под нагрузкой и схлопыванию всей «банки». Поэтому более реалистичная весовая наценка — 4,4 тонны для первой ступени «Зенита», сделанной из гладкого листа.
Семейство ракет-носителей среднего класса «Зенит». Баки горючего и окислителя этой ракет состоят из цилиндрической обечайки и двух полусферических днищ. Обечайка собрана из из листов, где методом механического фрезерования вырезана «вафля» с толщиной ребра 5 миллиметров, высотой 25, толщиной полотна — 5 миллиметров
Так инженеры нашли практически идеальное решение проблемы — как сделать баки с силовыми набором, но при этом не ослаблять обшивку ни сваркой, ни клепкой: нужно просто сделать силовой набор вместе с обшивкой. Этот метод стал стандартом для большинства тяжелых ракет по всему миру. Но платить за это решение пришлось временем, ресурсами и, разумеется, деньгами.
«Новому космосу» вся эта технологическая красота была не под силу, и они искали другой способ оставить в целости и козла, и капусту — присоединить к обшивке силовой набор, но не потерять в прочности. И нашли.
Как это теперь собрать
Большинство методов сварки предполагает, что вы расплавляете электрической дугой или газовой горелкой края двух металлических деталей, соединяете их, а когда расплавленный металл застывает, две эти детали оказываются единым целым, увы, единство это мнимое, и такой способ соединения не намного лучше традиционной клепки. В толще сварного шва могут остаться микроскопические пузыри, трещины и другие дефекты. Кроме того, расплавленный и застывший металл может стать менее прочным.
Фрезерованный лист для ракетного бака на заводе ULA
Smarter Every Day / YouTube.com
Фрезерование листов алюминия на заводе ULA
Smarter Every Day / YouTube.com
Готовая обечайка бака на заводе ULA
Smarter Every Day / YouTube.com
В случае, если сварной шов не подвергается большим нагрузкам, этим можно пренебречь, но в ответственных случаях приходится заниматься тщательной проверкой швов: дефекты ищут при помощи рентгена, ультразвука, магнитного порошка и десятков других инструментов. Но даже хорошие швы все равно остаются слабым местом, и их приходится усиливать, увеличивая толщину деталей в месте соединения.
Например, баки ракеты «Ангара» из «вафельных» листов сплава АМг6 сваривают в атмосфере инертного аргона — традиционная электродуговая сварка «на воздухе» не подходит для алюминия, поскольку он быстро окисляется (и может загореться), а оксид алюминия, попавший в шов сильно снижает его прочность. Перед сваркой края листов очищают от тугоплавкой пленки оксида алюминия на станках или металлическими щетками (если в шов попадет оксид алюминия, это сильно снизит его прочность), при этом в зоне шва листы имеют толщину не 5 миллиметров, как по всей площади, а 7,4 миллиметра — для надежности. То есть за прочность шва приходится расплачиваться снижением массы полезной нагрузки.
Срез листа, из которого сваривают баки «Союза-5» (сверху), слева видно утолщение для сварного шва. Внизу — срез листа для внешнего топливного бака для шаттлов
Три главных буквы
Сварка трением с перемешиванием, запатентованная в 1991 году сотрудниками британского Института сварки, решает почти все эти проблемы. Суть технологии состоит в том, что края свариваемых деталей нагреваются от механического трения, но не детали о деталь, как в случае с «обычной» сваркой трением, а специального быстровращающегося тугоплавкого инструмента. Металл в зоне шва нагревается, но не до температуры плавления — в случае с алюминием этого около 550 градусов, то есть 70 процентов от температуры плавления. Материал становится пластичным и перемешивается, образуя практически монолитное соединение — прочность шва в итоге оказывается на уровне примерно 80 процентов от прочности самого листа.
Это значительно лучше традиционной электросварки. Например, если аргоно-дуговая сварка обеспечивает прочность шва в 160-170 мегапаскалей, то шов от СТП на тех же листах дает 250 мегапаскалей (при исходной прочности листа 300 мегапаскалей).
Аэрокосмическая отрасль давно заметила эту технологию: уже в 1999 году стартовала ракета-носитель Delta II, где компания Boeing применила СТП для сварки межбакового переходника, а в 2001 году полетела такая же ракета со сваренными тем же методом баками.
Станок для сварки методом СТП бака ракеты Delta II. Внутри виден традиционный вафельный фон.
А. Я. Ищенко и др., Автоматическая сварка, 2007
Примерно тогда же СТП в 2001 году — начали использовать для сварки внешнего топливного бака шаттлов, восемь швов в баке для жидкого водорода и четыре — для жидкого кислорода, всего почти 800 метров.
Однако станки для СТП были сложными и громоздкими, и сам этот метод использовали только для сварки самих обечаек. Ситуация начала меняться, когда новый метод сварки посягнул на вездесущую «вафлю», и первым это сделала компания SpaceX.
И снова труба
В ракете Falcon 9, вновь появляются, как во времена «Фау-2», стрингеры и шпангоуты (Falcon 1 вообще летала с гладкими баками). Разница в том, как именно они закреплены на обшивке. В 2009 году, еще до запуска первого Falcon 9 SpaceX рассказывали, что будут использовать СТП, чтобы приварить силовой набор к обшивке, и алюминий-литиевый сплав.
Сегодня уже не приходится сомневаться, что эти технологии работают: Falcon 9 успешно летают и по многу раз — недалек тот день, когда одна из первых ступеней ракеты совершит десятый в своей биографии полет. Много говорят о технологических хитростях Маска, которые позволили ему сделать такую ракету: о переохлажденном топливе, что позволяет увеличить объем горючего на борту, не увеличивая объем баков, говорят о решетчатых рулях, говорят о двигателях, способных к многоразовому включению и дросселированию, но почти никто не говорит о СТП и стрингерах. Хотя именно это небольшое новшество может изменить всю технологическую цепочку производства ракет.
Силовой набор в обечайках бака ракеты Falcon 9
Как именно — можно увидеть в цехе Центра разработок С7, который сейчас создает ракету легкого класса.
Первоначально они решили избавиться от утомительного и сложного фрезерования «вафли» на обечайках баков с помощью аддитивных технологий — то есть не вырезать, а нарастить перегородки вафельного фона на гладком листе.
Выращенный с помощью 3D-печати вафельный силовой набор — до чистовой фрезерной обработки и после.
Сотрудники центра говорят, что это эксперимент был в целом успешным: после фрезерования они получили ровную «вафлю», которая по прочности соответствовала листам, полученным традиционным фрезерованием. «Но на тот момент мы уже начали параллельно заниматься СТП, и подумали, а почему бы не попытаться просто прикрепить силовой набор к обшивке с помощью этого метода», — говорит один из инженеров Центра Илья Якимов.
Если приварить стрингеры и шпангоуты к обшивке с помощью метода сварки трением с перемешиванием — по своей прочности он будет сопоставим с монолитным «вафельным» набором. При этом вся технологическая цепочка умещается в одном маленьком цехе: не нужно заказывать дорогие толстые плиты, не нужно ждать пока они пройдут предварительную обработку на прокатном стане, не нужно фрезерование.
Робот-манипулятор сваривает бак
«Не нужен громоздкий и дорогой станок, нам не нужны заготовки, которые делали по очереди три предприятия, нам не нужно превращать в стружку тонны алюминиевого сплава», — говорит директор Центра Сергей Снытин.
Он и его коллеги смогли сильно упростить и саму технику СТП — они используют станки собственного производства и роботы-манипуляторы. Роботы дорогие, признает Снытин, но даже так, по его словам, получается дешевле традиционной технологии на порядок.
От легкой до средней
Центр разработок S7 планирует разработать собственную ракету, способную заменить штатный «Зенит-3SLB» для запусков с плавучей платформы «Морской старт», которой владеет «большая» S7.
Разработчики решили оставить на потом решение самой сложной задачи — создание двигателей и купить серийные у одного из российских предприятий (контракт пока не подписан, и название контрагента пока не раскрывают). Композитный обтекатель будет делать одна из дочек S7 на базе технологий компании Epic Aircraft. Центру остается создать все то, что находится между двигателями и головной частью ракеты — баки и систему управления.
На первой стадии предполагается построить ракету легкого класса, способную выводить на низкую орбиту более тонны полезной нагрузки. Если все пойдет по плану, то полетит эта ракета уже в ближайшие несколько лет. Для будущей ракеты среднего класса, которая сможет выводить шесть тонн на геопереходную орбиту при старте с экватора, Центр планирует разработать собственный двигатель.
Прототип бака изнутри.
Для баков ракеты планируется использовать новый сплав 1580 в отожженном состоянии — экспериментальный магнийсодержащий сплав, который отличается от традиционного АМг6 добавлением 0,1 процента скандия для повышения прочности. В отличие от нагартованного АМг6 его прочность не снижается при нагреве, а значит первую ступень можно потенциально сделать возвращаемой, она выдержит прохождение сквозь атмосферу, не потеряв качества.
Силовой набор, приваренный к обшивке с помощью СТП, будет в баке горючего, в нижней части ракеты, которая испытывает наиболее серьезные нагрузки. Примерная масса цилиндрической части бака — около тысячи килограммов. Если бы он был сделан по традиционной технологии — «вафельным», цилиндрическая часть обечайки весила бы на 150 килограммов больше, а если бы она была просто гладкой — то на 900.
«Плюс-минус несколько сотен килограммов — вроде бы не очень большая разница в массе полезной нагрузки для ракеты среднего класса, но «входной билет», то есть вложения в производство таких баков ниже чуть ли не сотню раз, если использовать СТП. Нам не нужны огромные портальные фрезерные станки с высокой точностью и потребностью смывать чем-то в процессе работы сотни килограммов стружки, гигантские гибочные станки и кропотливый ручной процесс гибки эти панелей. Нам требуются только небольшие вальцы для тонколистового металла, готовые стрингеры и СТП-станок для их приварки, который мы разработали сами», — говорит Илья Якимов.
Почти готовое днище бака, напечатанное вместе с силовым торцевым шпангоутом
«Старые» космические корпорации следуют хорошему принципу «не трогай то, что работает», и строят современные ракеты и ракеты ближайшего будущего — SLS, «Вулкан» и «Ангару», пользуясь технологиями, которые доводили до совершенства десятилетиями, и опираясь на сеть из сотен поставщиков и подрядчиков. Новые игроки, космические стартапы, не могут позволить себе этой роскоши и вынужден искать сотни ухищрений. Ни одно из них по отдельности, ни избавление от «вафли», ни многие другие, не станут «серебряной пулей», волшебным средством, которое сделает космос таким же доступным, как межконтинентальные перелеты. Но они постепенно начинают всерьез соперничать с «динозаврами», и мы уже не можем быть уверены, какая ракета полетит к Луне первой — SLS или Falcon Heavy, и кто именно займет место «Зенита».