HL-42 (космический корабль)

редактировать
HL-42
HL-42-pic2.jpeg Схема НАСА из Access to Space Study
ОператорНАСА
ПриложенияС экипажем космический самолет
Технические характеристики
Стартовая масса29 тонн, включая адаптеры
РежимНизкая околоземная орбита
Размеры
Производство
СтатусОтменен
Запущен0
Связанный космический корабль
Получен изСистемы запуска персонала HL-20

HL-42 была предложена увеличенная версия конструкции многоразового пилотируемого HL-20 космоплана, который разрабатывался с 1983 по 1991 год в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, но никогда не летал. Как и HL-20 («Горизонтальный посадочный модуль 20»), HL-42 должен быть выведен на низкую околоземную орбиту, установленный на вершине двухступенчатой ​​одноразовой ракеты. В конце миссии он должен снова войти и спланировать на посадку на взлетно-посадочной полосе.

HL-42 был предложен как один из преступников преемников Space Shuttle в исследовании NASA Access to Space в 1994 году. В конце концов, появилась другая альтернатива, Одноступенчатый- Проект выхода на орбиту был выбран для дальнейшей разработки, и работы по HL-42 были прекращены.

Содержание

  • 1 Предыстория: политика запуска НАСА
  • 2 Исследование доступа к космосу в 1994 году
    • 2.1 Вариант 1: Продолжать работу на шаттлах до 2030 года, но с обновлениями
    • 2.2 Вариант 2: Консервативная разработка, одноразовые пусковые установки и некоторые новые аппараты, включая HL-42
    • 2.3 Вариант 3: сразу переходить на одноступенчатый вывод на орбиту (SSTO)
    • 2.4 Окончательная рекомендация: технология для SSTO
    • 2.5 Результат: Разрушение надежд на SSTO
  • 3 HL-42 в Варианте 2
    • 3.1 Вариант 2D Система запуска в деталях
    • 3.2 Насколько большим должен быть HL-42? Проблема снижения массы
    • 3.3 Преимущества HL-42
  • 4 Конструкция
    • 4.1 Конструкция и тепловая защита
    • 4.2 Движущая сила: OMS и RCS с метановым топливом
    • 4.3 Аэродинамические поверхности управления
    • 4.4 Внутренняя мощность: электромеханическая, а не гидравлическая
    • 4.5 Авионика
  • 5 Развитие: Обычный бизнес по сравнению со Skunk Works
  • 6 Обычные операции
  • 7 Унаследованные
    • 7.1 Ситуация в 2001–2004 годах: опция 2 частично принят
    • 7.2 Пилотажные космопланы не пересмотрены
    • 7.3 Четвертый вариант: Союз - Прогресс
    • 7.4 Инициатива по запуску космических кораблей 2001 г.
    • 7.5 Возрождение HL-20 и HL-42 при невозможности SLI
    • 7.6 SLI прекращено в 2004 г.
    • 7.7 Возрождение космических самолетов после 2004 г.: Dream Chaser
  • 8 См. Также
  • 9 Примечания
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

Предыстория: политика запуска НАСА

В начале 1980-х годов политика НАСА заключалась в продвижении использования космических челноков почти для всех запусков, как гражданских, так и военных; только тогда, когда миссии "Шаттл" будут запускаться почти каждую неделю, программа Space Shuttle будет иметь экономический смысл. Challenger в 1986 году вызвала пересмотр, и в последующие годы многие исследования наметить путь вперед, не достигая какого-либо консенсуса, за исключением растущего чувства, что «быстрее, лучше, дешевле». Также были разногласия по поводу конструкции (и действительно цели) предлагаемой космической станции «Свобода».

Исследование доступа к космосу 1994 года

Наконец, когда президент Клинтон впервые вступил в должность в 1993 году новый администратор НА Дэниел Голдин поручил провести серьезное исследование, которое свело бы множество возможностей к трем четко определенным вариантамСА для систем запуска.

В ноябре 1993 года, когда это исследование было достигнуто в России о разработке проекта Freedom для Международной космической станции, поэтому для работы космической станции авторам исследования было предложено разработать проект для «худшего случая»: предположить, что 4 человека Станция, подобная свобода, которая была бы построена и обслуживалась исключительно США, но вывести ее на орбиту Мир с наклоном 51,6 градуса (значительное изменение, поскольку до нее и уменьшит полезную нагрузку Шаттла на третье). С другой стороны, новая модель сотрудничества с Россией упростит и использование перспективных двигателей первой ступени семейства РД-170 / РД-180. и инновационное трехкомпонентное топливо RD-701.

Управление развития космических систем НАСА опубликовало это исследование доступа к космосу в январе 1994 года; он оказал большое влияние на космическую политику до конца десятилетия. Исследование было направлено на то, чтобы выбранное новое стартовое оборудование было представлено с 2005 г., когда нынешние шаттлы подходили к списанию, и оставались в использовании до 2030 г. Каждый из трех групп экспертов наметила возможный путь вперед:

1: Продолжать базироваться на шаттлах до 2030 года, но с обновлениями

Вариант 1 был наиболее консервативным, он состоял из дополнительных обновлений существующего флота шаттлов Возможное строительство еще нескольких легких и прочных материалов. Значительно улучшенная авионика может сделать автономные операции без экипажа практичными и даже желательными для некоторых миссий.

Вариант 2: консервативная инженерия, расходные пусковые установки и некоторые новые машины, включая HL-42

Вариант 2, немного более авантюрный и ориентированный на экономию и эффективность, будут включены новые транспортные средства, но только небольшие улучшения в материалах и методах; Группа 2 планировала использовать только технологии, которые, как ожидается, будут доступны в 1997 году, а новое оборудование будет готово к эксплуатации в 2005 году.

В рекомендуемой версии Варианта 2 все ракеты-носители будут расходным материалом. Дельта II будет сохранена; Атлас II будет модернизирован российским двигателем РД-180; тяжелые Титан IV и Шаттл будут заменены новой тяжелой пусковой установкой (с двигателями РД-180 и разгонной ступенью с двигателем J-2S ), которая будет поддерживать все операции космической станции с использованием либо одноразовой автоматической автоматизированной установки без экипажа. Транспортное средство передачи (для груза) или многоразовый космический HL-42 (для экипажа самолет).

Вариант 3: прямо к одноступенчатому выходу на орбиту (SSTO)

Вариант 3 был амбициозной, но Команда 3 почувствовала, что пришло время для нового поколения больших, полностью многоразовых одноступенчатых ракет -носителей (ССТО). Они были впечатлены выпуском в апреле 1993 года самолета McDonnell Douglas DC-X и его центральной философией, заключающейся в радикальном упрощении «операций, подобных авиаперевозкам». Более того, они завершили свою часть исследования этим выделенным курсивом кредо: суть в следующем: работоспособность не просто целью; это должен быть драйвер дизайна.

Группа 3 исследовала несколько альтернативных вариантов горизонтального взлета с воздушным движением, эксперимент на опыте проекта Rockwell X-30 (NASP), но пришла к выводу, что будущее за всем - ракета, вертикального взлета, горизонтально-посадочной конструкции ССТО. В их эталонной конструкции использовались предложенные, но еще не построенные российские трехкомпонентные двигатели РД-704, небольшие крылья и цилиндрический фюзеляж с центральным отсеком для полезной нагрузки типа "Шаттл". Он может перевозить как груз, так и пассажиров, но в обоих случаях работа будет полностью автоматизирована. Команда подсчитала, что первый действующий автомобиль может быть поставлен в 2007 году, а парк из четырех человек будет готов взять на себя все операции Delta, Atlas и Shuttle в 2011 году.

Этот окончательный эталонный дизайн сильно напоминал предложенный Продвинутый демонстратор технологий в августе 1993 года группой в Центре космических полетов НАСА им. Маршалла.

Окончательная рекомендация: технология для SSTO

После анализа в исследовании было принято решение о Варианте 3: «Принять разрешить передовой технологии, полностью многоразовая одноступенчатая ракета-носитель как цель Агентства». наивысший потенциал сокращения годовых эксплуатационных расходов, а также затрат в течение... цикла он поставит США в выгодное положение с точки зрения международной конкуренции и перепрыгнуть через США в способность к запуску нового поколения "

Что касается запусков коммерческих спутников, было сочтено, что даже вариант 2 не может конкурировать с Ariane 4 и Ariane 5, которые как «наиболее эффективные из зарубежных систем». «Вариант 3, с другой стороны, снизит затраты на запуск настолько резко, что промышленность США сможет занижать цены всех конкурентов. США, вероятно, захватят и снова будут доминировать на международном рынке запуска в течение значительного периода времени, используя эти уникальные передовые технологии. технологические транспортные средства ».

Вариант 3 был признан представляющим «средний или высокий технический риск», но это «было сочтено управляемым из-за 4–5-летней фазы созревания технологии, которая позволит предположить необходимые технологии. по крайней мере до уровня 6 технологической реакции (подтверждено в их среде среды). "

Результат: Неудача надежд на SSTO

После того, как было принято решение сконцентрироваться на SSTO, НАСА проиграло интерес к HL-42, да и вообще ко всей концепции запуска пилотируемого космоплана поверх одноразовой пусковой Последние исследования HL-20, проведенные в Исследовательском центре НАСА в Лэнгли, проводились в 1991 году и не были продолжены.

НАСА переняло DC-X у Пентагона и переименовало его в DC-XA Clipper Graham. Два новых проекта были также запущены в качестве демонстрационных технологий: Orbital Sciences X-34 и Lockheed Martin X-33. После того, как технология была проверена, следующим шагом бы коммерческий космический самолет SSTO VentureStar.

Однако «фаза развития технологий от 4 до 5 лет» прошла не очень хорошо. DC-XA был отменен в 1996 году после того, как прототип был серьезно X-34 и X-33 были отменены в 2001 году из-за р. азногласий и технических трудностей. Работа над VentureStar также прекратилась в 2001 году, фактически положило конец движению к SSTO.

HL-42 в Варианте 2

Подробно о системе запуска Option 2D

Команда 2 пришла к их выводам сделаны после исчерпывающего изучения многих возможностей, начиная с 84 семейств транспортных средств, сужаясь до 28, до четырех, из которых три включает пилотируемый космоплан HL-42. Их окончательная подробная рекомендация (вариант 2D в исследовании) была следующая:

  • Для полетов с низкой околоземной орбитой (НОО) от 5 тонн до продолжать использовать Delta II (обзор
  • Для миссий грузоподъемностью 10 тонн на низкоорбитальную орбиту замените Atlas II на новую пусковую установку, используя один "недорогой, малорисковый" российский двигатель РД-180 на первой ступени и недавно используемый верхний ступень Centaur с одним двигателем RL10 вместо двух.
  • Для более тяжелой Titan IV или Shuttle- класс полезной нагрузки, вывод на пенсию дорогих Титанов; и разработать новую двухступенчатую одноразовую тяжелую пусковую установку с тремя российскими двигателями РД-180 на первой ступени и одним J-2S на второй (которая, по сути, будет модернизированной S -IVB этап). 38 тонн на НОО без верхней (третьей) ступени.

Тогда тяжелая п усковая установка сможет нести:

  • новый однодвигательный 23-тонный верхний блок Centaur плюс геостационарный спутник или межпланетный космический корабль;
  • 8 тонн одноразового адаптера и спасательной системы плюс 21-тонный полностью загруженный HL-42 на НОО;
  • одноразовый 7-тонный ESA - построенный вездеход плюс до 30 единиц груза или конструкции для космической станции на НОО.
ATV-партнер HL-42

На данном этапе квадроцикл представляет собой короткий приземистый орбитальный буксир без места для хранения, аналогичный разделу «Сервисный модуль» более позднего работающего ESA Автоматизированное транспортное средство передачи данных. Этот буксир мог приводить в движение:

  • герметичный логистический модуль (PLM) с большим стыковочным портом размером CBM ;
  • негерметичный логистический контейнеровоз (ULC) с топливными и бензобаками;
  • завершить новые модули и ферменные конструкции для самой космической станции.

командам было сказано предположить, что для обслуживания станции класса свободы на 4 человека потребуется 70 тонн грузов в год. В Варианте 2 большая часть этого будет реализована за пять миссий ATV (три PLM и два ULC). Отходы для захоронения загружаются в ATV / PLM или ATV / ULC, которые затем сойдут с орбиты и сгорят при возвращении в атмосферу. При необходимости квадроцикл может также спустить с орбиты целые устаревшие модули или конструкцию космической станции.

Система пуска в целом нацелена, обеспечивает экономичность и эффективность, при этом возможности используются общие компоненты (двигатели РД-180, разгонный блок «Кентавр»). ATV должен быть предоставлен за европейский счет в обмен на использование космической станции; таким рентабельным способом ESA смогло сохранить точку опоры в космосе после отмены программы Columbus в 1991 году. Даже стартовый обтекатель ATV был позаимствован у Titan IV.

Потребуются шесть новых транспортных средств или «программных элементов»: Рисунок 24 из отчета «Доступ к космическому исследованию »Сводный отчет Примечательно, что многие рекомендации Варианта 2 были реализованы на практике в последующие годы, несмотря на то, что этот вариант не был выбран. Три из предложенных новых машин были построены и широко использовались.

Какого размера должен быть HL-42? Проблема понижающей массы

Команда 2 много думала над вопросом понижающая масса. Груза, нужно было бы безопасно вернуть на Землю (в основном оборудование и завершенные эксперименты). Это не представляет проблемы для вариантов 1 и 3; Шаттл может легко переносить массу, например, в многоцелевом логистическом модуле (MPLM) в отсеке для полезной нагрузки, и VentureStar будет иметь аналогичную систему. В варианте 2D, однако, всю нижнюю часть придется нести на HL-42, который должен быть больше, чем HL-20, чтобы обеспечить некоторую грузоподъемность, а также места для экипажа. Но какая емкость (как объем, так и масса) потребуется на практике?

Свобода существовала пока только на бумаге, оценить это было сложно, потому что не было практического опыта. Российские космические станции почти не сбросили обратную массу, одноразовые грузовые модули "Прогресс " были спроектированы таким образом, чтобы сгорать при входе в атмосферу, а тесный трехместный "Союз " при возвращении в атмосферу. для модулей было мало места. ИССБ были гораздо более амбициозными и промышленными объектами.

Многие из этих экспериментов можно было бы связать в громоздкой ISS International Standard Payload Rack (ISPR), слишком большой даже для стыковки «Прогресс» или «Союз». порт. Чтобы загрузить хотя бы один ISPR, HL-42, потребуется стыковочный порт того же размера, что и порты 1300 мм (51 дюйм) Общий причальный механизм, которые в итоге соединят между собой модули станции американского производства.. И сколько ISPR необходимо связать на каждом рейсе?

Первоначально команда была дана базовая цифра в 58 тонн пухлых масс в год (по сравнению с 70 тоннами пухлых масс), и это могло бы стать серьезной проблемой для Варианта 2: «Однако центральный вопрос касается выхода в космос - это обратная масса ». «Разумным возвратом запчастей, пользователей и систем экипажа», показал, что их можно уменьшить разумным возвратом запчастей, пользователей и систем экипажа ».

Это все еще было неудобно большим для варианта 2, поэтому LaRC снова приступила к работе и определила, что отдавало приоритет пользовательским экспериментам и отбросив почти все остальное, что больше не использовалось, ежегодное снижение массы может быть уменьшенным до 10 тонн, или примерно 15% от массы. Это цифра, которая использовалась для ожидаемого размера HL-42.

Учитывая три миссии смены экипажа в год, каждая из них должна была бы нести от трех до четырех тонн пухового груза. Команда 2 подсчитала, что это можно сделать, увеличив размер конструкции HL-20 в 1,42 раза, по совпадению придав ей длину 42 фута (и название HL-42). Общая масса экипажа и груза установлена ​​на уровне 4,2 тонны.

Базовый годовой грузовой манифест выглядел бы следующим образом: Рисунок 19 из сводного отчета о доступе к космическому исследованию На нисходящем пути этот манифест должен был вернуть 78 шкафчиков средней палубы, все они находятся в открытом космосе. спортивные костюмы и примерно 65 процентов герметичных стоек (ISPR) для пользователей.

Согласно рис. 19, HL-42 будет нести один или два ISPR во время обычных полетов вверх; но на схемах его внутреннего устройства показаны места для трех человек.

Система была разработана так, чтобы быть гибкой. Если опыт покажет, что в некоторые моменты требуется дополнительное снижение массы, можно запланировать дополнительные полеты HL-42 или изменить последовательность. Поскольку все три машины использовали одну и ту же новую тяжелую пусковую установку, это привело бы к минимальным сбоям в обработке запуска.

Команда 2 очень хорошо понимала, что их минимальное снижение массы может вызвать критику: «Приемлемость такого уровня отдачи (примерно 15 процентов от доставленной массы) представляет собой проблему, которая должна быть решена в окончательной версии Space Station Freedom. логистический сценарий ". Однако более поздний опыт МКС показал, что это не было проблемой.

HL-42 имел примерно такую ​​же грузоподъемность, что и более поздний беспилотный SpaceX Dragon, и в течение как минимум пяти лет после вывода из эксплуатации Шаттла в июле 2011 года Dragon был единственным кораблем. способен нести значительные массы с МКС. Фактические показатели снижения массы для его первых четырех миссий по коммерческому снабжению CRS-1 до CRS-4 составили 0,9 тонны, 1,4 тонны, 1,6 тонны и 1,5 тонны за три года с 2012 по 2014 год. что HL-42 действительно имел бы достаточную вместимость, особенно при трех полетах в год. Это также обеспечило бы более плавную езду на пуховом грузовике, чем у Dragon (замедление на 1,5 г по сравнению с 3,5 г для Dragon) и гораздо более удобную посадку на взлетно-посадочную полосу (а не на приводе Dragon в Тихом океане).

Преимущества безопасности HL-42

После катастрофы Challenger в 1986 году было признан о, что Shuttle недостаточно безопасен. Исследование оценило его текущую «живучесть экипажа» в 0,98. Одной из целей исследования было увеличение этого показателя до 0,999.

Однако, несмотря на изучение многих возможных обновлений шаттла до 2030 года, команда 1 не смогла найти практический способ обеспечить спасение экипажа. Единственный эффективный способ сделать всю систему значительно более безопасной - это модернизировать авионику Шаттла и обеспечить автономную работу, чтобы избежать риска для жизни в миссиях, которые по сути были просто доставкой груза: «Обеспечение дополнительных возможностей эвакуации экипажа не рекомендовалось из-за затрат, ударов по весу и центру тяжести, а также технические риски. Было определено несколько способов дальнейшего снижения затрат и повышения безопасности полета. Один из них - орбитальный аппарат без экипажа, который позволит увеличить скорость полета без ущерба для безопасности человека... ». Однако, даже если бы половина миссий была снята с экипажа, это снизило бы риск только вдвое и повысило бы «живучесть» до 0,99, что все еще на порядок хуже, чем цель 0,999.

Общийпринцип повышения безопасности за счет разделения экипажа и груза (без риска для жизни во время грузовых миссий) уже изучался НАСА за несколько лет до исследования, и вариант 2 был разработан таким образом с самого начала. HL-42 будет летать только в случае смены экипажа. Это также означало, что оборудование, предназначенное только для грузовых автомобилей (ATV, PLM, ULC), не нуждалось в оценке человека, что делало всю систему дешевле.

Будучи намного меньше, чем Shuttle, HL-42 мог быть установленный наверху пусковой установки, так что на площадке и в течение первой минуты полета простая система аварийного покидания (LES могла) «обеспечить импульс высокую тяги, чтобы быстро дистанцировать HL-42 от катастрофической ракета-носителя »и вызвать его на взлетно-посадочную полосу рядом со стартовой площадкой.

Чтобы справиться с «катастрофическим исключением» в следующие несколько минут полета, можно было бы установить адаптер запуска (между задней частью HL-42 и верхней второй ступени пусковой установки) с более крупными твердотопливными ракетными двигателями, чтобы обеспечить возврат на стартовую площадку (RTLS) в неповрежденном состоянии.

Если авария произошла за пределами диапазона RTLS, LES оттолкнет HL-42 и будет сброшен, а сам HL-42 скользит обратно в нижние слои атмосферы. В пределах досягаемости не было подходящих длинных взлетно-посадочных полос (возможно, даже в крупных коммерческих аэропортах), он бы развернул парашюты и упал бы в океан. Использовалось нетоксичное метановое топливо и жидкий кислород (не токсичное гиперголическое топливо Шаттла), необходимость в процедуре «безопасного» взлета на взлетно-посадочной полосе после любого из этих аварийных посадок и снижение опасности аварийной посадки.

HL-42 выжил бы в обстоятельствах, которые уничтожили «Шаттлы» Challenger в 1986 году и Columbia в 2003 году. В 1986 году LES вытащила бы его из строя. разгонный взрыв; а наверху своей пусковой установки он был бы надежно убран с пути падающих обломков, которые смертельно повредили теплоизоляцию на Колумбии.

Эти соображения приводят исследование к выводу, что Группа 2 достигла цели безопасности с HL-42: «Повышение безопасности экипажа (вероятность выживания экипажа) по крайней до 0,999 по сравнению с 0,98 космического шаттла.

Конструкция

HL-42 косвенно опирался на три десятилетия опыта с подъемными корпусами космическими самолетами, но зависел в основном Команда 2 предысторию своего дизайна следующим образом: «Конструкция HL-42 связана с концепцией подъемного кузова HL-20, изучаемой с 1983 года в Исследовательском центре Лэнгли. Применимая база конструкции конструкции HL-20 включает основные исследования NASA по аэродинамике, моделированию и прерыванию, а также исследования человеческого фактора, а также результаты исследований по контракту с Rockwell, Lockheed и Boeing в осуществление эффективного производства и проектирования операций ». Рисунок 21 из Сводный отчет о доступе к космическому исследованию

Конструкция и тепловая защита

Вариант 2 был основан на технологиях, доступной для практического в 1997 году, поэтому в HL-42 использовались многие из тех же материалов. как Шаттл; Он имел структурный каркас из алюминиевого сплава и очень похожую систему тепловой защиты.

. Основным элементом конструкции HL-42 была цилиндрическая алюминиевая герметичная кабина с двумя люками доступа: большой задний для стыковка с космической станцией после сброса пускового адаптера (и для горизонтальной погрузки груза перед запуском) и гораздо меньший люк на крыше кабины для доступа экипажа в вертикальном положении на стартовой площадкой (и в качестве альтернативного выхода после приземления, особенно после прыжка с парашютом в результате аварийного приводнения в океане). Алюминиевые рамы выступали других сторон этого цилиндрического сердечника, чтобы поддерживать остальную часть конструкции.

Вся нижняя поверхность с помощью подъемного корпуса была защищена от тепла повторного входа с усиленной волокнистой изоляцией Unipiece (TUFI ), более прочной и ударопрочной версии Плитки Shuttle HRSI ; Модернизированные плитки TUFI объявили в 1996 году. Эти матово-черные плитки, как и на Shuttle, были приклеены непосредственно к составной титановой термостойкой обшивке, установленной на алюминиевых рамах.

Обшивка верхней поверхности, подвергающейся воздействию более низких температур, был изготовлен из алюминиевых сотовых панелей, которые можно было снять, чтобы обеспечить доступ к отсекам оборудования без давления между рамами. Верхняя обшивка была покрыта такой же изолирующей белой тканью (AFRSI, Nomex Advanced Felt Reusable Surface Insulation), что и верхние поверхности Shuttle.

Ребра были полностью изготовлены из титана, причем как плитки TUFI (в более горячих областях), так и ткань AFRSI (в более прохладных областях) были непосредственно приклеены к коже.

Самые горячие области, носовая часть и передние кромки плавников, были сделаны из армированного углепластика, как и на «Шаттле».

Силовая установка: СУО и RCS с метановым топливом

Орбитальные двигательные установки HL-42 внешне выглядели как двигательные установки Шаттла в меньшем масштабе. В задней части, по одному с каждой стороны люка доступа, находились два двигателя системы орбитального маневрирования космических челноков (OMS), которые использовались для корректировки орбитов, сближения с другими космическими кораблями и, наконец, выхода с орбиты. Полностью заправленный OMS был способен дать HL-42 общее изменение скорости (дельта-v ) на 290 м / с, что аналогично показателю 300 м / с для Shuttle.

Система управления реакцией (RCS) также в принципе аналогична системе Shuttle, системе небольших ракетных двигателей для управления положением HL-42 по тангажу, крену и крену. рыскание, то используя же топливо, что и СУО. Это означало, что в случае отказа двигателя OMS оставшееся топливо могло быть отправлено через межсоединение к двигателю RCS, обращенным назад, для завершения аварийного выстрела с орбиты.

Однако было одно существенное различие между Шаттл и HL-42: вид топлива. Shuttle использует токсичный и гиперголический монометилгидразин (MMH) и тетроксид диазота (N2O4) как для OMS, так и для RCS. В соответствии с новым принципом работы жидких авиакомпаний «быстрее, лучше, дешевле», команда 2 решила перейти на метан (CH4) икий кислород как для OMS, так и для RCS. Хотя они нетоксичны и намного проще в обращении, это был шаг в неизвестности, поскольку в 1994 году почти не проводилось никаких работ по двигателям, работающим на метане. Таким образом, это было указано как четвертая из пяти задач расширенной разработки, необходимые для варианта 2.

Аэродинамические поверхности управления

Как и HL-20, HL-42 имел семь подвижных поверхностей управления: элевон на каждом боковом стабилизаторе, цельноповоротный центральный руль направления между килями и четыре закрылка корпуса (две на нижней поверхности сзади и две на верхней поверхности между рулем направления и килями). По сравнению с Shuttle, HL-42 намного больше находился на двух нижних закрылках корпуса для управления по тангажу и крену, особенно на средних этапах входа в атмосферу с высокими динамическими давлениями и большим углом атаки. В отношении HL-20 и HL-42 находились полпути между шаттлами и такими транспортными средствами, как более поздний ESA IXV, который имел два нижних закрылка и не имел других средств управления.

На ранних этапах возвращения в атмосферу HL-42, как и Shuttle, полностью полагался бы на RCS для управления ориентацией. В случае с «Шаттлом», когда окружающий воздух стал более плотным и динамическим давлением увеличилось, элероны на внешних задних кромках сначала захватили воздушный поток и взяли на себя управление по крену от RCS. Затем немного позже, элевоны на внутренних задних кромках берут на себя управление высотой тона. (Единственная задняя створка корпуса Shuttle была менее важна для управления положением, действуя как триммер по тангажу и защищая форсунки главного двигателя от тепла при входе в атмосферу.)

В случае HL-42, элевоны на боковых ребрах были слишком близко к телу, чтобы выдерживать постоянный поток на этом этапе, поэтому вместо этого взяли на себя два нижних закрылка корпуса, перемещаясь вместе для управления тангажем и по-разному для крена. Однако и для шаттла, и для HL-42 рыскание будет контролироваться только RCS до более поздних стадий снижения, поскольку большой угол атаки по-прежнему будет защищаться от направления воздушного потока.

Наконец. как для Shuttle, так и для HL-42, когда скорость полета упала ниже 3,5 Маха с более плотным воздухом и меньшим углом луча, руль направления начал встречаться с воздушным потоком и брал на себя управление рысканием от RCS. С этого момента и до посадки HL-42 будет вести себя больше как обычный самолет, управляемый в основном элевонами и рулем направления, с некоторым контролем крена от нижних закрылков. На более низких скоростях закрывают верхние части тела, двигаясь вместе, также могут помочь элевонам контролировать тангаж (на более высоких скоростях они находятся вне воздушного потока и неэффективны). После приземления закрылки верхней части тела будут выдвинуты вместе с закрылками нижней части корпуса, чтобы служить воздушными тормозами.

Внутренний привод: электромеханический, а не гидравлический

Все семь рулевых поверхностей HL-42 приводились в движение электромеханическими приводами, а не гидравликой, как на Shuttle. Колеса (обычная ходовая часть трехколесного велосипеда типа Shuttle) также опускались электромеханически, а не гидравлически, как на Shuttle. Это было преднамеренного сдвига в политике проектирования: Исследовательский центр Лэнгли решил не иметь гидравлических систем на HL-20, а использовать их вместо электромеханических приводов, и HL-42 использовать тот же принцип.

Шаттл был разработан с тремя независимыми гидравлическими системами, каждая из которых нагнеталась турбонасосом с приводом от APU, работающего на токсичном гидразине. Эти системы включаются только во время запуска, внедрения в атмосферу и разработаны для обеспечения большой мощности в короткого времени. Они также могли справиться с резкими скачками мощности до трехкратной нормальной нормальной работы, длящимися одну или две секунды (например, при быстром перемещении всех управляющих поверхностей при одновременном опускании колес).

Некоторыми следующими Десятилетиями космических кораблей считали гидравлическую энергию излишне сложной, ненадежной и трудной в обслуживании. Даже Команда 1 в своем списке обновлений Шаттла рекомендовала заменить некоторые или все гидравлические системы на электромеханические. Одна из причин заключалась в том, чтобы упростить наземную обработку за счет удаления токсичного гидразинового топлива ВСУ, и это хорошо соответствовало новой эксплуатации эксплуатации.

Однако теперь электрическая система HL-42 должна была справиться с большими и непредсказуемыми скачками мощности при посадке. Поэтому он был разработан с двумя источниками питания. Нормальная базовая мощность обеспечена водородно-кислородными топливными элементами как на орбитальном шаттле; но HL-42 также имеет перезаряжаемые серебристо-цинковые батареи для обеспечения питания на периоды очень высокого спроса. (Это была та же комбинация источников питания, которая использовалась в Apollo CSM.)

, команда 2, осознала, что необходимо провести некоторые усовершенствования в этой системе с двумя источниками, в частности, процедуры включения и выключения резервной мощности сделали это второй из пяти требуемых передовых задач разработки: «... приводы и их электрические системы привода и переключения должны быть усовершенствованы, с упором на системы электропитания».

Авионика

Электронное оборудование было усовершенствовано за два десятилетия, прошедшие с момента первого планирования шаттла, и HL-42 был разработан для максимального использования этих достижений. Он сможет проверить себя на стартовой площадке, а затем выполнить всю миссию автономно. навигация с помощью GPS и постоянный мониторинг своего состояния ». Значительная часть операций миссии будет выполняться с использованием автоматических систем. Запуск, подъем, операции на орбите, Вход и посадка автоматизированы и не требуют вмешательства экипажа, что снижает затраты за счет устранения основных требований к оборудованию и обучению экипажа.... Наземное управление бортовыми системами будет сокращено за счет автоматизации и управления исправностью бортовых транспортных средств. Управление траекторией и навигацией снижается за счет использования спутниковой системы глобального позиционирования ".

Автономная работа была серьезным отклонением от философии Apollo и Shuttle, которые проектировались как пилотируемые аппараты. Управление полетом, наведение и навигация уже были автоматизированы на других самолетах, но «управление состоянием бортового транспортного средства» было бы более сложной задачей; практический опыт космических полетов показал, что основная часть работы пилота заключалась в том, чтобы решить, какие сигналы тревоги или комбинации сигналов тревоги могут быть безопасными или временно игнорируется и требует принятия срочных мер ввиду общей ситуации. Теперь эти решения должны быть записаны в программное обеспечение. Тестирование и отладка этого программного обеспечения были бы сложной задачей, учитывая, что возможности для фактических летных испытаний были бы чрезвычайно ограничены ( до часов или для запуска и повторный вход, даже минуты в год).

Устаревание оборудования авионики к другим проблемам. Через десять лет все программное обеспечение будет обновлено на новом быстром оборудовании, что приведет к задержкам в работе и расходам.

Группа 2 была хорошо осведомлена обо всем этом и выбрала авионику и программное обеспечение в качестве первой из пятиуемых дополнительных задач разработки: «Системы авионики, которые можно модернизировать, программное обеспечение, которое автоматически создается и проверяется, и управление состоянием здоровья. функций в полете. "

Развитие: Обычный бизнес против Skunk Works

В начале 1990-х годов среди некоторых инженеров начало развиваться чувство, что культура стала слишком бюрократической, с слишком много бумажной работы и слишком много менеджеров среднего "Skunk Works". Две исследовательские группы разделили это чувство: «Группы по вариантам 2 и 3 рекомендовали оптимизированный подход к управлению и заключению контрактов по образцу Lockheed« Skunk Работает », который предусматривает меньший, но специализированный и совмещенный государственный надзор, более эффективную внутреннюю организацию подрядчика, прототипирование и преемственность команды от проектирования до полета".

Другие команды НАСА также разделяли это чувство. Когда 1 марта 1994 года группа оценки DC-X проинформировала Дэна Голдина о проекте DC-X, всего через несколько недель после публикации Резюме исследования, они рекомендовали тот же подход для дальнейшей разработки DC-X. DC-X был построен McDonnell Douglas, поэтому «быстрое управление» никоим образом не ограничивалось Lockheed.

Команда 2 особенно надеялась на значительную экономию средств благодаря этому подходу. «При разработке HL-42... можно было бы использовать подход типа« Skunk Works ». Этот подход успешно использовался в военных программах, таких как Hercules, U-2 и SR-71. В исследовании, проведенном на системе полезной нагрузки, HL-20, разработанная Исследовательским центром Лэнгли и Lockheed, было определено, что с помощью этого подхода можно достичь степени экономии. На основе этих результатов новый подход для HL-42... может дать сокращение до 40–45% от общей оценки затрат на производство космических аппаратов, по сравнению с традиционными оценками «как обычно».

Группа 2 охтеризовала алгоритм «Skunk Works» как включающую: «Требования, единый орган управления, небольшой технический персонал, заказчики на месте, проверки подрядчиков, ограниченный доступ извне, своевременное финансирование, отчеты только о работе, простой выпуск чертежей, прототипирование и т. д. "

Обычные операции

При обычных операциях HL-42 будет доставлен один из трех OPF в Космический центр Кеннеди (KSC) для подготовки и

После перемещения он перемещался в VAB, чтобы они были перемещены в готовом к полету состоянии; повернуть его в вертикальное положение и соединить со второй ступенью наверху тяжелой пусковой установки этого он проверял себя с помощью своих автономных систем «с минимальным трудозатратом и в одну-две смены». Точно такая же процедура будет установка для грузовых запусков с использованием квадроцикла.

. Для HL-4 было шесть к одному. 2 команда 2 надеялась уменьшить это соотношение до трех к одному, что более типично для коммерческих авиакомпаний, таким образом, снизив не только зарплату, но и расходы на проживание.

KSC возьмет на себя все запуски, передача в небольшую (10–12 консолей) комнату управления полетами в Космическом центре Джонсона в Хьюстоне, как только HL-42 отделился от второй ступени пусковой установки. "Автономные системы, нацелившие ускоритель на точку разделения, передадут управление системой орбитального аппарата. Эта система будет рассчитывать орбитальное выведение и направлять аппарат в это положение. "

С этого момента" экипажа ", это будут просто пассажиры, обучение может быть значительно упрощено и полностью основано на симуляциях.. «Все тренировки будут проводиться в центральном тренажерном зале. Учебные помещения должны отражать средства управления полетом для контроля полета. Учебные помещения Установка для ознакомления предполетных анализов. Основным режимом обучения будет компьютер. Потребуются стационарные или летные авиационные средства. "

Однако все эти подробные планы были отложены, когда в 1994 году был выбран вариант SSTO.

Наследие

Ситуация в 2001–2004 гг.: Вариант 2 принят частично

К 2001 году стало очевидно, что вариант 3 SSTO будет слишком сложным на практике (по крайней мере, с учетом финансирования Конгресс был готов) и X-33, X-34 и VentureStar были отменены в этом году. От варианта 1, только модернизировавшего систему «Шаттл», также отказались исследования, убедительно показало, что это невозможно сделать рентабельным: «… очевидно, что основная экономия средств, намеченная в качестве цели данного исследования, достигается только вх, использующих новые автомобили». Также оказалось невозможным поднять «живучесть экипажа» Шаттла выше текущего 0,98 или 0,99: Вариант 1 «не улучшил текущий анализ безопасности экипажа». Таким образом, совместное орбитальные аппараты не будут наиболее модернизированы, и к 2004 году было решено, ч то «после завершения работы космический шаттл будет выведен из эксплуатации после завершения сборки МКС, что запланировано на конец десятилетия».

На практике, в итоге, был реализован только вариант 2, хотя и не полностью. Дельта II сохранена. Atlas II был модернизирован российским двигателем РД-180 и в 2000 году летал как Atlas III. Дорогой Titan IV будет снята с вооружения в 2005 году и заменена новой пусковой установкой, представленной в 2004 году, хотя эта новая пусковая установка будет Delta IV Heavy (26 тонн на орбиту "Мира "), а не более мощной тройной версией РД-180 (38 тонн на орбиту Мира), предложенных для системы Вариант 2. После этих обновлений семейства Atlas и Delta в некотором времени будут продолжать запускать американские беспилотные космические корабли; и ESA ATV (запущенный на европейском Ariane 5 ) был бы готов взять на себя доставку грузов на Международную космическую станцию ​​за три года до вывода шаттла из эксплуатации.

Однако ни одна из этих машин не сможет переправить экипаж на МКС и обратно.

Космические самолеты с экипажем не пересматриваются

Несмотря на то, что проблема обеспечения доступа экипажей к МКС после шаттлов становилась все более актуальной, НАСА не пересматривало вариант 2 комбинации пилотируемого космического самолета с одноразовая пусковая установка. Предлагаемая X-38 «спасательная шлюпка» космической станции, внешне похожая на HL-20, должна была быть переправлена ​​в качестве груза в отсекной нагрузке шаттла и один раз или не экзотическая; даже это было отменено в 2002 году. С другой стороны, военный Boeing X-37, действовавший с 2010 года, был намного меньше (5 тонн при запуске), не имел экипажа и никогда не предназначался для поддержки работы космической станции..

НАСА смогло отклонить все варианты доступа экипажа МКС после шаттла, представленные в исследовании, потому что недавно стал четвертый вариант: использование инфраструктуры российской программы для всех транспортных средств экипажа, возможность, которая не рассматривалась в исследовании.

Четвертый вариант: Союз-Прогресс

В 1993 году, когда происходило исследование «Доступ к космосу», в быстрой последовательности произошло несколько событий, которые привели к значительному расширению сотрудничества России с НАСА. В результате статуса российского сотрудничества все еще оставался неопределенным, пока исследование писалось с января 1993 года по январь 1994 года. Техническое разрешение авторам использовать российские компании в качестве поставщиков оборудования (особенно двигателей); но они должны быть спланированы «наихудший случай», а не полагаться на созданное российское Федеральное космическое агентство в вопросах финансирования или услуг. Таким образом, исследование предполагалось, что доступная экипажа будет обеспечиваться только США, Европой, Канадой и Японией, первоначальным консорциумом «Свобода космической станции», как это было в январе 1993 года, когда исследование было заказано.

Первоначально Союз - Прогресс не считался надежным: "С самого начала при участии России возникли проблемы. Многие обещания были даны высокопоставленными российскими правительственными чиновниками.... Большинство из них не были выполнены. количество Союз Космический корабль «спасательная шлюпка» и космический корабль Прогресс «перезагрузка» также были подвергнуты сомнению. Финансирование космической программы России находилось под серьезным давлением... "

Однако в течение нескольких лет доверие Америки к Союзу –Прогресс неуклонно рос. России удалось сохранить на вооружении Мир, и амбициозная программа Шаттл-Мир (1994–1998 гг.) Увенчалась успехом. К июлю 2000 г. первые три модуля МКС (два из них, Заря и Звезда, построенные Россией) уже находились в эксплуатации, а после снятия с орбиты "Мира" 23 марта 2001 г. все ресурсы системы «Союз - Прогресс» были доступны для обеспечения работы МКС. Опираться исключительно на «Союз-Прогресс» для доступа к экипажа МКС уже кажется слишком рискованным.

К тому времени, когда в марте 2001 года программа X-33 SSTO была отменена, НАСА больше не испытывало давления, необходимого скорейшего создания полностью американских транспортных средств для перевозки экипажей, просто чтобы обеспечить доступ к МКС после выхода шаттла на пенсию; Российский Союз теперь может обеспечить это, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. Что касается долгосрочной перспективы, НАСА работало над новой инициативой, ориентированной на многоразовые транспортные средства.

Инициатива по запуску космического корабля 2001 г.

В феврале 2001 г. была официально утверждена программа Инициатива по запуску космического корабля (SLI, также известная как программа-носитель многоразового использования 2-го поколения (RLV)). создана с целью радикального снижения стоимости доступа к космосу. Для этого потребуются новаторские технологии, коммерциализация и конкуренция в стартовом бизнесе. «Сегодня перенос космических транспортных потребностей НАСА на коммерческие ракеты-носители ключевой целью усилий НАСА в области космических перевозок».

SLI был гораздо менее структурирован, чем доступ к исследованию космоса с его тремя четко определенными альтернативами. SLI начнется с «Сотни концепций»; «В первые два года программы мероприятий по снижению и обзор основных этапов постепенно сузят жизнеспособные многоразовые космические транспортные системы до двух или трех кандидатов». Надежды были высоки: «Новые технологии и операциями... стоимость доставки полезной нагрузки резко упадет с сегодняшней цены в 10 000 за фунт».

Однако всем было ясно, что повторное использование может быть достигнуто после нескольких технических прорывов; И именно НАСА должно будет обеспечить эти открытия за счет государства. Никто не представил эту позицию более четко, чем Иван Бекей, уважаемый бывший директор НАСА, в его влиятельных показаниях перед Конгрессом от 11 апреля 2000 года, которые помогли решить судьбу X-33. Это отношение можно охарактеризовать как «передовое, или вообще не передовое». Поскольку, поскольку цель программы X-33, заключалась в разработке и демонстрации новых технологий, заключалась в разработке ее без новаторских, но сложных резервуаров для водорода «не особого смысла с технической точки зрения».

Возрождение HL-20 и HL-42 невозможно при SLI

Эти исследовательские приоритеты объясняют, почему программы HL-20 и HL-42 никогда не были возрождены НАСА. Если даже SSTO X-33 (с его авиационным двигателем и инновационной системой цельнометаллической термозащиты) считался недостаточно передовым без композитного бака, то HL-20 и HL-42 стояли еще меньше.

  • Со своими одноразовыми пусковыми установками желаемого десятикратного снижения на запуск;
  • Они были специально разработаны, чтобы не использовать какие-либо прорывные технологии;
  • Их работа уже выполнял Союз.

В этих обстоятельствах не было никаких шансов, что они будут развиваться дальше НАСА.

Однако коммерческие космические транспортные компании будут вполне свободны разрабатывать проекты HL-20 и HL-42, если захотят; НАСА теперь приветствовало коммерческое участие. Но компании, поступающие так, рискуют столкнуться с конкуренцией со стороны самой SLI. Если бы исследования, финансируемые НАСА, действительно создали прорывную систему с затратами на запуск в 1000 долларов за фунт (десятикратное сокращение), то космические самолеты с одноразовыми пусковыми установками никогда не смогли бы стать конкурентоспособными.

прекращение SLI в 2004 году

К 2004 году стало очевидно, что НАСА никогда не получит достаточных средств для типа высокорисковой и высокоприбыльной программы, которую пропагандирует Бекей: «хорошо финансируемая параллельные разработки компонентов», так что если некоторые стратегии продвижения потерпят неудачу, а это неизбежно, одно из них может преуспеть и принести огромные выгоды - возможно, даже сократив затраты до 100 за фунт. Мало того, что Конгресс неохотно предоставил финансирование, но и управление такими программами оказалось неожиданно сложной, как показали X-33 и X-34.

НАСА, соответственно, отказалось от этого направления развития в марте 2004 года. «НАСА не добавляет новые возможности для использования в космических орбиту, за исключением случаев, когда это необходимо для обеспечения уникальных исследовательских потребностей, таких как те, которые могут удовлетворить новые возможности использования тяжелых подъемников. Бюджет отменяет Инициативу по запуску космического корабля... "

собственные программы НАСА по созданию новых транспортных средств теперь сосредоточены только на исследованиях за пределами НОО: программа Созвездие и, наконец, тяжелые -lift Система космического запуска и Орион (которая будет в первой очереди для путешествий за пределами НОО, хотя при необходимости ее также можно использовать в роли Союза для поддержки МКС).

Возрождение космопланов после 2004 года: Dream Chaser

Теперь, когда не было перспективного перспективного прорыва, финансируемого НАСА, сокращающего затраты на запуск на один (или даже два) порядка, путь был открыт для коммерческих предприятий для разработки более Эти идеи, которые НАСА в течение десяти лет отвергало как «недостаточные передовые», в том числе HL-20 и HL-42, теперь идея, всего вдвое снизила затраты, лишь хорошие шансы на успех и на прибыль.

В 2006 году Джим Бенсон (который основал SpaceDev в 1997 году) лицензировал дизайн HL-20 для использования в проекте Dream Chaser. В отличие от HL-42, Dream Chaser не требовал переправлять три или четыре тонны груза обратно на Землю, поэтому мог вернуться к HL-20 меньшего размера. Он был достаточно легким, чтобы его можно было связать с пусковой установкой класса Atlas, и в 2007 году было достигнуто соглашение с United Launch Alliance об использовании Atlas V в качестве первой пусковой установки Dream Chaser..

Эта комбинация, наконец, с сентября 2016 года выиграла контракт с НАСА на шесть запусков Коммерческие службы снабжения.

См. Также

  • Портал космических полетов

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-22 08:48:03
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте