Итак, 2 августа в 21:48 по московскому времени космический корабль Crew Dragon компании SpaceX, имеющий имя собственное Endeavour, успешно вернулся из космоса на Землю. Он выполнил все этапы программы демонстрационного полета DM-2 (Demo Mission-2): старт с экипажем на борту, выведение с помощью ракеты-носителя Falcon-9, автономное орбитальное маневрирование с испытаниями бортовых систем, встречу и стыковку с Международной космической станцией (МКС), двухмесячные работы в составе орбитального комплекса, совмещенные с ресурсными тестами агрегатов корабля, отделение от станции, сброс грузового отсека («багажника»), сход с орбиты, управляемый спуск в атмосфере, парашютирование, мягкое приводнение в Мексиканском заливе и эвакуацию с помощью судна-спасателя GO Navigator.

На плазменном участке теплозащитный экран раскалился до температуры 2000° С, рассеивая огромную кинетическую энергию и позволяя кораблю постепенно терять скорость и высоту. При скорости около 570 км/ч были введены тормозные парашюты, они замедлили падение примерно до 190 км/ч. На высоте около 1800 м раскрылись основные парашюты, обеспечивая спуск корабля в океан со скоростью менее 20 км/ч.

В общем, всё прошло штатно, но… Не такой изначально видел посадку своего детища Илон Маск!

Одной из главных задач создателей первых пилотируемых космических кораблей было безопасное и комфортное возвращение экипажа на Землю. И если со спуском в атмосфере всё было более или менее однозначно — надо тормозиться о воздух, обеспечивать теплозащиту аппарата и снижать перегрузки до уровня, приемлемого для здоровья (не более 8-10 единиц), то с заключительным этапов — мягкой посадкой — сложнее. Человеческий организм — «изделие» хрупкое; чтобы не пострадать при посадке, он должен встретиться с поверхностью со скоростью не более 5-8 м/с, как парашютист под куполом основного или запасного парашюта. Но даже при этом нет гарантии от получения травм. Кроме того, космический корабль крайне желательно посадить с максимальной точностью в районе, наиболее удобном для проведения поисково-спасательной операции. Затраты на последнюю напрямую зависят от точности посадки: одно дело искать корабль на «пятачке» радиусом в километр, и совсем другое — в зоне, измеряемой десятками и сотнями километров.

источник: 3dnews.ru

Приводнение корабля Crew Dragon после беспилотного полета DM-1 8 марта 2019 г. Фото NASA TV

Идеальное решение — посадка по-самолетному, на взлетно-посадочную полосу аэродрома. Точность — идеальная, комфорт — на высоте: вертикальную составляющую скорости 1,5-3 м/с поглощают амортизаторы шасси. Но на заре космической эры самолётная посадка была сложной, дорогой и долгой в реализации. В условиях начавшейся космической гонки требовались более простые и быстрые решения. Ими стали одноразовые баллистические и полубаллистические капсулы, которые и поныне являются наиболее популярным типом спускаемого аппарата: после торможения в атмосфере до дозвуковой скорости дальнейшее снижение обеспечивает парашютная система. Но последний этап — мягкая посадка — решается по-разному.

Кроме конечной скорости, перегрузки, возникающие в последний момент посадки, во многом зависят от свойств поверхности. Проще (и комфортнее) всего падать в воду, сложнее — на твердый грунт или, например, на бетон. В первом случае ударная перегрузка обычно не превышает 10-15 единиц, во втором может «зашкалить» и за сотню, что смертельно опасно для экипажа…

Первый американский корабль Mercury приводнялся, благо Америка омывается двумя незамерзающими океанами — Атлантическим и Тихим. К тому же мощный военно-морской флот США позволял проводить крупномасштабные поисково-спасательные операции в открытом море (точность посадки в первых космических полетах была крайне низкой). У Советского Союза таких возможностей не было (сажать «Восток» предполагалось в специально выбранных континентальных районах страны), и мягкую посадку обеспечили оригинально. Весь спускаемый аппарат посадить под парашютом разумных размеров и массы с приемлемой скоростью казалось проблематично, поэтому на высоте 7 км и при скорости снижения примерно 225 м/с космонавт катапультировался из «шарика» и приземлялся на индивидуальном парашюте.

Схема с приводнением у американцев прижилась и нашла применение в кораблях Gemini и Apollo. Впрочем, не сразу. В начале проектирования второй американский пилотируемый корабль предполагалось приземлять по-самолетному, на сушу под надувным дельтапланом — «Крылом Рогалло» — на выпускаемое шасси. Однако доводка такой системы заняла много времени, и, в конечном счете, Gemini приводнялся, как и Mercury. Крыло для посадки было применено лишь пятнадцать лет спустя, в гораздо более сложной и громоздкой системе Space Shuttle.

В Советском Союзе тоже отдали дань экзотике. В начале 1960-х гг. ОКБ-1 С.П.Королёва пыталось поменять парашюты на авторотирующий несущий винт, но внедрению помешала сложность системы. Между тем, необходимость улучшить условия посадки потребовалась очень скоро…

В 1963-1965 гг. был реализован советский проект «Восход», в рамках которого были выполнены две исторические миссии: запуск первого в мире многоместного (экипаж — три человека) корабля и первый выход человека в открытый космос. Базой для этих достижений послужил всё тот же «Восток», спускаемый аппарат которого переделали. В новых кораблях возможность индивидуального катапультирования исключалась — не было ни объёмов, ни резервов массы. Космонавтов пришлось приземлять в спускаемом аппарате, увеличив площадь парашюта. Однако скорость касания грунта не падала ниже 10 м/с, и для парирования удара применили амортизированные кресла и пороховые двигатели мягкой посадки: последние снижали скорость до 0-2 м/с. Впервые систему мягкой посадки отработали на спускаемых аппаратах спутников-фоторазведчиков «Зенит-4»: те несли дорогостоящую оптику, которую требовалось возвращать крайне мягко для повторного использования.

источник: 3dnews.ru

Видоизмененная парашютно-реактивная система мягкой посадки с «Восходов» перешла на «Союзы» и применяется до сих пор. Она проста, отработана и надёжна, но имеет существенный недостаток — невысокую точность приземления, обусловленную существенным ветровым сносом от номинального места посадки при вводе парашюта.

Современные цифровые навигационные системы теоретически способны доставить на Землю возвращаемый аппарат с точностью до десятков метров (что, собственно, демонстрируют боевые части баллистических ракет). Но пилотируемые корабли приземляются на парашютах, которые вводятся в действие на достаточно большой высоте — 5-10 км. Ветер может отнести спускаемый аппарат на многие километры от расчётной точки посадки.

Этого недостатка лишены системы ракетодинамической посадки на жидкостных или твердотопливных двигателях. В идеале они позволяют заменить как парашют, так и систему мягкой посадки, а в некоторых случаях — и тормозную двигательную установку для схода корабля с орбиты. Такой системе не требуется запредельная энергетика — основную часть энергии корабль рассеивает при аэродинамическом торможении в атмосфере, и для мягкой посадки надо в конечном итоге затормозиться лишь с 90-150 м/с — типовое значение равновесной скорости падения в атмосфере — до нуля. Для этого достаточно располагать характеристической скоростью порядка 200 м/с, а сход с орбиты добавит к этому значению ещё 100-150 м/с.

Американцы подробно исследовали ракетодинамическую посадку в 1960-х применительно к проектам многоразовых одноступенчатых ракет-носителей. В Советском Союзе в 1980-х её рассматривали для космического корабля «Заря», которым предлагалось заменить «Союз». Однако на практике система была реализована лишь в наши дни на ракетах компаний Blue Origin и SpaceX, для сохранения матчасти которых с целью повторного использования требовалось сочетание высокой точности и очень мягкого приземления. Однако такие системы сложны и весят больше, чем парашютные или парашютно-ракетные. Причём на орбите их масса совершенно излишняя.

источник: 3dnews.ru

После того, как рано утром 21 июля 2011 года колеса шасси «Атлантиса» коснулись посадочной полосы на мысе Канаверал, и эксплуатация системы Space Shuttle была прекращена после трех десятилетий и 135 миссий, оказалось, что единственными кораблями, способными доставлять экипаж на орбиту и возвращать на Землю являются российские «Союзы» и их китайские братья «Шэньчжоу». А они по-прежнему используют парашютно-реактивную систему приземления.

Современный «Союз-МС» является шестой инкарнацией исходного корабля, совершившего первый пилотируемый полет в 1967 году и с тех пор многократно модернизированного. Несмотря на значительный объем работ, проведенный по всем системам, схема его приземления за более чем полвека претерпела лишь незначительные изменения. Спускаемый аппарат корабля оснащен многокаскадной основной и запасной парашютными системами, а также твердотопливными двигателями мягкой посадки. Основная парашютная система состоит из вытяжного, тормозного и основного парашюта. Площадь последнего — 1000 м2. Запасной парашют имеет площадь 574 м2. Купола парашютов вводятся по сложной схеме с использованием рифовки и перецепки, позволяющей плавно изменять перегрузки при их раскрытии, а мягкую посадку обеспечивают шесть пороховых двигателей, установленных на днище корабля под сбрасываемым теплозащитным экраном. Они запускаются по команде гамма-высотомера, который с большой точностью измеряет расстояние до поверхности, а также обладает высоким быстродействием, — ведь при спуске на запасном парашюте скорость снижения достигает опасных 14 м/с.

источник: 3dnews.ru

Работа комплекса средств приземления корабля «Союз». Графика РКК «Энергия» из книги «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П.Королева, 1946-1996

Система приземления «Союзов» прошла испытания временем, доказав свою надёжность как в штатных, так и в нештатных ситуациях, например, при срабатывании системы аварийного спасения. Единственный её отказ, приведший к гибели В.М.Комарова, был связан не со схемой работы системы, а с технологическими нарушениями при сборке парашютного контейнера.

В 2002 году в запасную парашютную систему «Союза ТМА» был введён тормозной парашют площадью 16 м2, а купола стали делаться из высокопрочного материала СВМ на основе арамидного волокна, сохраняющего высокие механические свойства даже после длительного нагрева при 300°С. В 2016 году на «Союзе МС» парашютную систему вновь доработали: площадь запасного парашюта увеличили до 590 м2.

Примерно аналогично устроена система посадки китайского корабля «Шэньчжоу».

При всех достоинствах, описанная система имеет такие недостатки, как уже упомянутая невысокая точность приземления из-за раннего ввода парашютов, невозможность обеспечения условий посадки, при которой возможно последующее повторное использование спускаемого аппарата, и необходимость проведения на месте приземления квалифицированных работ по дезактивации несработавших двигателей мягкой посадки и радиоактивного гамма-высотомера.

источник: 3dnews.ru

«Орёл»

Эти недостатки попытались устранить в проекте перспективного транспортного корабля нового поколения ПТК НП, ныне именуемого «Орёл» и предназначенного для полетов как на МКС, так и на Луну. Ещё на стадии аванпроекта в 2008 году была предложена революционная ракетодинамическая система посадки, остаточно подробно проработанная в эскизном проекте 2009-2010 годов. Основу системы составляла быстродействующая пороховая тормозная двигательная установка (ПТДУ). Сначала она должна была включать несколько твердотопливных двигателей с управляемым вектором тяги, но затем её сменила установка, состоящая из двух запараллеленных твердотопливных газогенераторов и системы сопел с регулируемой тягой.

Изначально ПТДУ предполагалось вводить на высоте около километра, чтобы сажать возвращаемый аппарат с высокой точностью (отклонение от расчётной точки в пределах 1-2 км) и окончательно гасить скорость амортизаторами выдвижных посадочных опор. В теории ПТДУ обеспечивала как отказоустойчивость, так и регулирование тяги в широких пределах.

источник: 3dnews.ru

Возвращаемый аппарат корабля «Орел» с выпущенным посадочным устройством и схема посадки с использованием штатных реактивных средств и резервной парашютно-реактивного системы приземления: 1 — корпус возвращаемого аппарата; 2 — опоры посадочного устройства; 3 — сопла посадочной твердотопливной двигательной установки. Графика РКК «Энергия» из журнала «Космическая техника и технологии» №4, 2014, с.21-30

При защите эскизного проекта принятая концепция была признана слишком рискованной. Имея принципиальную новизну, ПТДУ требовала больших затрат времени и средств на экспериментальную отработку и подтверждение надёжности. В одной из статей, опубликованных в открытом отраслевом журнале «Космическая техника и технология» [4], специалисты фирмы-разработчика корабля — Ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» имени С.П.Королёва — отмечали, что «кратковременность процесса реактивной посадки (20…25 секунд) определяет высокие требования к характеристикам динамического контура управления, быстроте реакции на динамические возмущения и диагностирование отказов, что с учетом отсутствия беспилотных и пилотируемых прототипов увеличивает технические риски реализации проекта». Масса установки составляла 32% от массы возвращаемого аппарата (у «Союза» — всего 16%).

При техническом проектировании концепцию посадочной системы изменили. Основную скорость на дозвуковом участке спуска гасят парашюты, вводимые существенно позже, чем на «Союзе», на высоте 3-5 км; затем, на высоте примерно 1 км запускается ПТДУ. Если с ней всё в порядке, парашюты отстреливаются, и выполняется реактивная посадка. В противном случае, спускаемый аппарат приземлялся на парашютах. Точность посадки при штатном спуске — менее 1 км, при аварии ПТДУ — не более 2,5 км.

источник: 3dnews.ru

источник: 3dnews.ru

Отработка двигательной установка корабля Dragon 2 при зависании в воздухе. Фото SpaceX

Однако в 2017 году NASA преподнесло Маску неприятный сюрприз, потребовав отказаться от ракетодинамической посадки и приводнять корабль под парашютами. В июле того же года основатель SpaceX подтвердил свое согласие, сославшись на то, что «сертификация системы для пилотируемых полётов требовала огромных усилий».

Начались интенсивные испытания парашютной системы посадки, которая первоначально состояла из двух тормозных парашютов и трёхкупольного основного. SpaceX заявила, что разрабатывает «одну из самых безопасных и совершенных систем из когда-либо созданных», однако тесты проходили с «шероховатостями». О том, что всё не просто, свидетельствовал переход к четырёхкупольному основному парашюту.

В апреле 2019 года SpaceX провела «испытания экспериментального образца» с заменой возвращаемого аппарата имитатором (упрощенным металлическим макетом). Как сообщалось, результаты тестирования «не соответствовал ожиданиям NASA». Напомним: практически одновременно, 20 апреля 2019 года на стенде при очередном прожиге двигателей SuperDraco взорвался корабль, в марте 2019 года побывавший на МКС в ходе первой беспилотной демонстрационной миссии DM-1.

В мае того же года сообщалось об аварии при испытаниях парашютной системы посадки Crew Dragon, а руководитель пилотируемых программ NASA Билл Герстенмайер заявил, что апрельские испытания парашютной системы прошли не вполне корректно. Они выполнялись на сухом озере Деламар в штате Невада, корабль сбрасывался с большой высоты. Один купол специально вывели из строя перед тестом, чтобы три оставшихся обеспечили безопасную посадку Но они сработали плохо, и корабль получил повреждения. За год SpaceX провела необходимый объем работ и устранила замечания: к настоящему времени систему можно считать вполне отлаженной, она способна мягко приводнять корабль при отказе одного купола из четырёх.

Отработка парашютной системы посадки корабля Crew Dragon

Orion и тенденции

Многоцелевой пилотируемый корабль MPCV (Multi-Purpose Crew Vehicle) Orion, разрабатываемый с середины 2000-х годов компаниями Lockheed Martin и Airbus Defence and Space по заказу NASA для доставки людей и грузов на МКС и полётов за пределами низкой околоземной орбиты, оснащён консервативной системой посадки с приводнением в океан. Она трёхкупольная и в основных чертах заимствована с Apollo, а также с твердотопливных бустеров системы Space Shuttle. Ввод системы в действие происходит в два этапа с помощью небольших тормозных парашютов, тормозящих возвращаемый аппарат до скорости 280 км/ч. Затем вводятся основные парашюты, снижающие скорость до 30 км/ч. Система подтвердила свою надёжность в первом испытательном беспилотном полёте прототипа корабля 5 декабря 2014 года с использованием ракеты-носителя Delta IV Heavy.

Таким образом, несмотря на новые тенденции, связанные с многократным использованием возвращаемых аппаратов, посадочные системы космических кораблей остаются достаточно консервативными. Предпочтение отдаётся не новизне, а надёжности, безопасности и более быстрой экспериментальной отработке. Ни одна из систем не имеет явных преимуществ — все доказали свою надёжность. С точки зрения повторного использования интереснее смотрятся системы посадки «Старлайнера», «Орла» и нового китайского корабля. С позиций простоты, функциональности и универсальности (безопасная посадка на воду и сушу) система мягкой посадки на основе надувных подушек выглядит наилучшей.

источник: 3dnews.ru

Парашютный спуск и мягкая посадка прототипа перспективного китайского пилотируемого корабля. Под днищем возвращаемого аппарата видны надувные амортизационные подушки. Фото www.weibo.com

Парашютные системы всех современных кораблей схожи, но имеют и специфику. На западе традиционно применяют многокупольные основные парашюты, вводимые одновременно: считается, что они обеспечат безопасную посадку даже при отказе одного из куполов. Отечественные специалисты считают, что такое решение содержит риск: все купола вводятся в одних условиях, и факторы, приводящие к отказу одного купола, могут привести и к отказу остальных. У «Союзов» парашютная система дублированная: основные парашюты однокупольные, в случае отказа основного вводится в действие запасной. Эта последовательная схема исключает влияние опасных факторов на оба купола. Аналогичная дублированная система использована на «Орле», хотя основной парашют многокупольный.

Ирония судьбы состоит в том, что Crew Dragon, по замыслу наиболее инновационный из всех современных проектов космических кораблей, наряду с «государственным» аппаратом Orion, получил самую консервативную систему посадки как самую простую и проверенную временем. Однако, возможно, ещё не вечер. Как известно, NASA настояло не только на отказе от реактивной посадки, но и от повторного использования Crew Dragon и первой ступени Falcon 9 в своих программах. Но буквально через несколько дней после старта первой пилотируемой миссии DM-2 этот запрет был снят. Как знать, может быть, через некоторое время будет реабилитирована и реактивная посадка…

источник: 3dnews.ru

Первоначально задуманный вариант реактивной посадки корабля Crew Dragon в представлении художника. Графика SpaceX

Что почитать (все приведенные материалы на русском):

• О предложениях С.П.Королёва по системе роторной посадки космических кораблей
• О системе приземления космического корабля «Восход»
• О ракетодинамической системе приземления космических кораблей
• Об устройстве системы посадки ПТК НП «Орел»
• Об испытаниях китайского перспективного транспортного корабля
• О многокупольной парашютной системе корабля «Орел»