Как (не) построить заново «Сатурн-5»

[fonzeppelin]

И еще одна моя статья для Warhead. Посвящена такому "популярному" вопросу, как "зачем НАСА проектирует новые сверхтяжелые ракеты, ведь у них должны были остаться все чертежи великолепной Сатурн-5"?

Программа «Аполлон» была впечатляющим успехом американской индустрии — но прямого продолжения так и не получила. Сейчас, когда НАСА возвращается к идее лунных экспедиций, многие задаются вопросом: зачем заново разрабатывать сверхтяжёлые ракеты-носители? Есть же готовые чертежи! Давайте построим «Сатурн-5» заново!



Кругом одни проблемы

Допустим, мы заполучили чертежи ракеты, выбили из конгресса финансирование и решили восстановить производство «Сатурн-5». Начинаем разбираться с чертежами, чтобы определиться, какие детали и где заказать.

И… сразу же наталкиваемся на проблему. В чертежах ракеты для некоторых ключевых деталей указан, например, сплав A018 (здесь и далее названия и марки узлов и агрегатов условные, сугубо для иллюстрации проблем, которые могут возникнуть при решении подобной задачи. — Прим. ред.). Что это за сплав такой, в чертежах, понятное дело, не указано. Спецификации дают нам некоторое понимание, почему выбрали именно этот сплав, но не проливают света на то, как и из чего именно он делался.



Путём долгого копания в архивах нам удаётся отыскать накладные на пресловутый сплав и выяснить, что делала его по заказу НАСА фирма, условно, «Джонс & сыновья» на заводе в Мэриленде. Вот только ни завода, ни фирмы давно уже нет: «Джонс & сыновья» обанкротилась в середине 70-х, и её активы выкупил крупный металлургическиё концерн. Завод, на котором изготавливали A018, давным-давно закрыли и снесли, а на его месте теперь городской парк.

Пытаемся выяснить, кому могли бы достаться архивы «Джонс & сыновья». С большим трудом нам удаётся разыскать старичка-архивариуса на пенсии, который припоминает, что всю документацию, относящуюся к работе на НАСА, при банкротстве фирмы сложили в ящик с номером 28956B и отправили в офис выкупившего фирму концерна. Какой точно офис, старичок уже не помнит. И руководство концерна нам тоже помочь не сможет: концерн распался в начале 90-х, архивы разделил десяток фирм-преемников, и куда девалась металлическая коробка с номером 28956B никто, разумеется, не имеет представления.

В итоге у нас нет ни сплава, ни понимания, как его изготовили.

Что делать? Заменять известными аналогами? А вдруг есть какая-то тонкость, которую мы упускаем? Разрабатывать сплав заново методом обратной инженерии? На это уйдёт неопределенно много времени и денег (с учетом того, что кому-то придется еще и налаживать производство сплава). Или же перепроектировать полностью все изготовленные из A018 компоненты ракеты?

«Нет, Джонни, всё было не так!»

Ладно, временно отодвинули кризис с A018 в сторону и пытаемся дальше разобраться в ворохе полувековой давности бумаг. В них находим технологию, допустим, изготовления стенок баков для жидкого кислорода. Технология по современным меркам архаична, и быстрый опрос производителей в отрасли подтверждает наши опасения: так больше никто не делает. Хуже того, ни у кого больше нет оборудования, которое использовали в 60-х для изготовления стенок баков «Сатурн-5» — производственные цепочки давным-давно демонтированы, цеха перепрофилированы под другие задачи.

Даже если мы каким-то чудом найдём древнее оборудование (и другим чудом заставим его работать), у нас нет никого, кто на самом деле бы умел им пользоваться.

Те из рабочих и инженеров, делавших компоненты «Сатурн-5» в 1960-х, кто дожил до наших дней, — сейчас в весьма и весьма преклонном возрасте. Да, многие из них неплохо помнят отдельные стадии нужного нам процесса, но никто из них не поручится, что не забыл что-то важное. Человеческая память всё-таки не самый надёжный хранитель точной индустриальной информации!



В итоге перед нами встаёт «воодушевляющая» перспектива налаживать производство баков ракеты на изношенном, наполовину собранном из деталей со свалок оборудовании, под бдительным руководством восьмидесятилетних старичков, яростно спорящих друг с другом о том, какой же именно температурный режим они для этого использовали. Ну или же полностью перепроектировать баки ракеты под современные производственные технологии (заметили, что это решение повторяется с удручающей регулярностью?..)

Слишком много вопросов

Двигаемся дальше. На чертежах первой ступени находим сложной формы деталь конструкции, которую на вид можно было бы сделать и проще, и легче. В сохранившихся документах нет внятного объяснения, почему выбрали именно такую сложную форму. Инженера, который некогда принял это решение, давно нет в живых, и спросить его мы не можем. Его личный рабочий архив потерялся при переезде.



Весьма пожилые коллеги покойного инженера расходятся во мнениях, почему эта деталь имеет форму Z-образной загогулины с руку толщиной. Одни говорят, что такая форма оптимальна с точки зрения перераспределения вибрационных нагрузок. Другие утверждают, что уровень математического моделирования 60-х просто не позволял толком обсчитать эту деталь, поэтому её делали с огромным запасом прочности. Чтоб уж наверняка.

Кому верить? И что делать?

Заказывать производство Z-образной загогулины или перепроектировать эту часть конструкции заново?

Идём ещё дальше. В криогенных системах второй ступени ракеты повсюду используется уплотнитель QB51. К нашему великому облегчению, этот уплотнитель до сих пор производится… вот только использовать его нам уже нельзя. За прошедшие десятилетия стандарты безопасности ужесточились, и OSHA (англ. Occupational Safety and Health Administration — служба охраны здоровья и безопасности на производстве) запретила использовать уплотнитель типа QB51 в ракетостроении.

Что делать? Подавать петиции в OSHA, чтобы сделали исключение, «потому что мы пытаемся заново сделать ракету полувековой давности, и иначе ну никак не получается» ? Или перепроектировать полностью компоненты, использующие QB51, под современные — безопасные — материалы?

Затем банальная проблема — болты, которые использовались на «Сатурн-5» для крепления патрубков подачи компонентов топлива, теперь делаются по другой технологии, из другого материала. И сертификацию на космические условия они не проходили. Производитель не готов поручиться, что его болты выдержат требуемую комбинацию тепловых и динамических нагрузок. И что? Заказывать дорогостоящую и сложную экспертизу болтов — которая вполне может увенчаться заключением, что они для наших целей не пригодны и надо искать замену? Или перепроектировать полностью все крепления?



В двигательном отсеке второй ступени натыкаемся на встроенный в переборку комплекс датчиков, весом примерно в 50 кг и занимающий объем в 0,5 кубометра. Современные цифровые датчики, выполняющие аналогичную задачу, помещаются на ладони и весят от силы полкило. Полностью перепроектировать переборку под новые датчики? Потратить годы и усилия на воссоздание древних датчиков? Или поставить новые датчики, а место из-под старых систем забить балластом?

Ещё пример. Для системы турбонасоса нужны патрубки особой формы. Фирма, которая их производила, ещё существует, у неё есть вся необходимая технология, и она может выполнить наш заказ… но не за те деньги, что мы способны на это выделить.

Заказ нестандартный, фирме придется восстанавливать старые технологические решения, нарушать обычный режим работы. На аргументы, что в 60-х фирма согласилась выполнить эту работу за такую-то часть общего бюджета проекта, владелец холодно отвечает, что в 60-х и бензин стоил тридцать центов за галлон. Что будем делать? Просить увеличения бюджета у раздражённого непонятными задержками конгресса? Или перепроектировать турбонасос (что тоже потребует времени и денег)?

Далее. В электросистеме ракеты мы видим примитивное по современным меркам, ненадёжное и неэффективное решение. Да, в 60-х оно казалось верхом инженерного изящества и остроумия, но за прошедшие десятилетия технология ушла далеко вперёд. В имеющемся виде электросистема впустую тратит драгоценный вес (и деньги).

Если мы попытаемся улучшить этот конкретный элемент, то вскоре поймём, что и другие теперь тоже можно усовершенствовать — сделать легче, надёжнее, эффективнее.

Неизбежно на какой-то стадии встанет вопрос: «А почему бы не переделать всю электросистему заново?»

«Хоть как-то» — не наш вариант

Внимательный читатель уже, без сомнения, понял, куда клонится наша модель. Практически в каждой из рассмотренных ситуаций в какой-то момент встаёт вопрос: «А не проще ли спроектировать это с нуля?». Объём переделок, которые потребуется проделать только для того, чтобы привести старые решения в соответствие с современными возможностями, рано или поздно станет сопоставим с усилиями по разработке новой ракеты с нуля.

Зачем тогда вообще пытаться воспроизвести старую ракету?

Попытки объединить технические решения полувековой давности с современными неизбежно порождают вынужденные компромиссы. В инженерии любой компромисс — это по определению жертвование эффективностью ради того, чтобы «хоть как-то да работало». Но ракетостроение вообще и космонавтика в частности слишком сложны (да и дороги), чтобы удовлетвориться этим «хоть как-то».



Создание сверхтяжёлой ракеты-носителя — это не только инженерный подвиг. Это ещё и огромное напряжение индустриальных усилий, великое множество технологических цепочек, сходящихся в одной точке. В 60-х такую систему построили, чтобы создать «Сатурн-5». Но за прошедшие десятилетия индустрия изменилась почти до неузнаваемости, и технологические цепочки, участвовавшие в программе «Сатурн», распались. Чтобы восстановить их, потребуется куда больше времени и усилий, чем для того, чтобы создать новые — под новую ракету.

Comments

[prostak-1982.livejournal.com]

Как и с "Сатурном", есть шапкозакидатели, которые говорят, что РФ нужно скоренько возрождать "Энергию".

[taira-koremochi.livejournal.com]

Это либо лоббисты отраслевые, либо дураки, либо враги.

[fonzeppelin.livejournal.com]

В основном, скорее, безнадежные (но не слишком компетентные) романтики "Бурана", искренне убежденные в мега-возможностях этой... сомнительной системы.

[spellinger.livejournal.com]

Ну ,Буран штука бесполезная , но сама Энергия то была хороша.
Модульная структура , грузоподъемность до 200 тонн , система возвращения блоков первой ступени.
Что -то современных аналогов я до сих пор не вижу.

[fonzeppelin.livejournal.com]

Ну, реально полезная нагрузка была в 105 тонн. 200 тонн - это уже существовавший только на бумаге "Вулкан" с удвоенной первой ступенью. Точно также с системой возвращения блоков - гладко было на бумаге, а на практике очень сомнительно, что после парашютной посадки хрупкие жидкостные ракеты годились бы для повторного использования (это же не твердотопливные бустеры, которым на все плевать). Маск пробовал парашютное приводнение в самом начале... пришли к выводу, что даже при приводнении, ступень безнадежно деформируется, и парашютная посадка просто не работает.

[prostak-1982.livejournal.com]

"это же не твердотопливные бустеры, которым на все плевать"

Экипаж "Челленджера" тоже так думал...

[spellinger.livejournal.com]

ну так это нужно было просто допилить до рабочего состояния. Ничего принципиально невозможного там нет.

[fonzeppelin.livejournal.com]

Безусловно, но как все бы это работало реально - крот его знает. Потому как СССР не так чтобы хорошо умел в автоматику, необходимую для таких сложных ступеней...

[ijn-myoko.livejournal.com]

Проблема возвращаемого блока "А" была в первую очередь в том, что посадка там планировалась горизонтальная и его для этого пришлось значительно усиливать. По сухой массе он более чем вдвое превосходил исходную первую ступень "Зенита" и это железо приходилось таскать всегда с соответствующим уменьшением выводимой нагрузки.
Требуемый для блока "А" мега-парашют тоже не был сделан.

[taira-koremochi.livejournal.com]

Значит дураки.

[ak-12.livejournal.com]

В отличие от США в России хотя бы сохранилась технология кислород-керосиновых двигателей первой ступени "Энергии".

[fonzeppelin.livejournal.com]

...А на чем, по-вашему, "Фалькон-9" летает, а? Вообще-то как раз на кислород-керосине.

[ak-12.livejournal.com]

РН Falcon летают на двигателях Merlin 1, в версии Merlin 1D демонстрирующих тягу на уровне моря 66,6 тс.

Это Вы сейчас выдали обусловленную утратой в США технологии кислород-керосиновых ЖРД большой мощности нужду (использование 27 двигателей Merlin 1D для отрыва от стартового стола РН Falcon Heavy) за добродетель.

[fonzeppelin.livejournal.com]

При чем тут утрата технологии? Мелкие двигатели банально дешевле и проще в серийном производстве. Главной причиной тяги к мега-двигателям в 1960-ых была невозможность на тогдашнем уровне организовать синхронную работу множества отдельных моторов (с приемлемой надежностью). Сейчас, это уже совершенно рутинная задача.

Да, много мелких двигателей менее эффективны, чем один большой. Но они проще и дешевле, и это перевешивает.

[ak-12.livejournal.com]

>При чем тут утрата технологии? Мелкие двигатели банально дешевле и проще в серийном производстве.

Ну раз проще и дешевле, то осталось только понять зачем же США продолжают закупать российский РД-180 и зачем ВВС США уже потратили сотни миллионов долларов создание прототипа двигателя AR1.

И да, за одно так же признать что вынужденно выбранная концепция РН Н-1 со "связкой" из 30 ЖРД на первой ступени была вернее концепции пяти ЖРД большой мощности отрывавших от стартового стола "Сатурн-5" и восьми ЖРД большой мощности отрывавших от стартового стола "Энергию". :)

[spellinger.livejournal.com]

Мелкие двиги менее эффективны. А СпейсХ начал их использовать от безысходности - разрабатывать что-то новое дорого и долго ,а документацию на эти им подарило НАСА.

[jr0.livejournal.com]

Того проще: TR-106 (водородный, на Delta IV, условно говоря) и TR-107 (керосиновый на Atlas). ak_12 действительно только предстоит понять, почему покупали в России за полцены. Не поймет.

Ну а использовать множество малых двигателей - прием довольно понятный. Проектов таких было много и они сулили как раз простоту управления и надежность, если бы не взрывались. Скажем, дросселировать не надо, достаточно выключить пару.

[john-jack.livejournal.com]

Использование в автомобилях 12 цилиндров обусловлено утратой технологии газовых двигателей большого объёма. А то в своё время пару сотен лошадей давал один цилиндр объёмом полкубометра. А пару тысяч — один цилиндр объёмом в несколько кубометров.

[ak-12.livejournal.com]

Да, не состоявшиеся Merlin 2 с тягой 771 тс и Raptor (обр. 2014 г.) с тягой 705 тс - это были попытки возврата в прошлое, в эру джетпанка.:)

[ijn-myoko.livejournal.com]

>в версии Merlin 1D демонстрирующих тягу на уровне моря 66,6 тс.
Текущие 854 КН - это 87,08 тс, а не 66,6.
Я даже знаю, откуда вы эту цифру взяли - тяга на уровне моря в 650 КН фигурировала при разработке двигателя Мерлин-1D в 2012-13 года, вот только на всех РН "Фалькон-9FT" и "Фалькон-9 block 5" летали двигатели первой ступени с тягой около 850 КН.

>Это Вы сейчас выдали обусловленную утратой в США технологии кислород-керосиновых ЖРД большой мощности нужду (использование 27 двигателей Merlin 1D для отрыва от стартового стола РН Falcon Heavy) за добродетель.
Утратой? У "Мерлина-1D" по сравнению с более-менее аналогичным по тяге двигателем из 60-х H-1 (аналогичный по тяге советский РД-107 был четырёхкамерным) в два раза больше давление в камере сгорания, в два раза меньше сухая масса, на 10% больше удельный импульс. Это всё на той же открытой схеме, которая и в 60-х последним словом техники уже не была.
Самое интересное, что непосредственный потомок H-1, RS-27A, летал в составе "Дельты-2" до прошлого года, без радикального улучшения характеристик и в компании до 9 твердотопливных ускорителей.

[ak-12.livejournal.com]

>Текущие 854 КН - это 87,08 тс, а не 66,6. Я даже знаю, откуда вы эту цифру взяли - тяга на уровне моря в 650 КН фигурировала при разработке двигателя Мерлин-1D в 2012-13 года

https://en.wikipedia.org/wiki/Merlin_(rocket_engine_family)#Merlin_1D

In May 2016, SpaceX announced plans to further upgrade the Merlin 1D by increasing vacuum thrust to 914 kN (205,000 lbf) and sea-level thrust to 845 kN (190,000 lbf); according to SpaceX, the additional thrust will increase Falcon 9 LEO payload capability to about 22 metric tons on a fully expendable mission. SpaceX also noted that unlike the previous Full Thrust iteration of the Falcon 9 vehicle, the increase in performance is solely due to uprated engines and no other significant changes to the vehicle are publicly planned.

In May 2018, just before the Bangabandhu-1 launch, Elon Musk announced that the 190,000 lbf (850 kN) goal had been achieved.

>вот только на всех РН "Фалькон-9FT" и "Фалькон-9 block 5" летали двигатели первой ступени с тягой около 850 КН.

Я конечно отстал от жизни, но 850 КН только на "Фалькон-9 block 5" с 11 мая 2018 года.

А для "Фалькон-9FT" указано:

https://en.wikipedia.org/wiki/Falcon_9_Full_Thrust

Throttle capability 816 kN-419 kN
(190,000 lbf to 108,300 lbf) (sea level）

>Утратой? У "Мерлина-1D" по сравнению с более-менее аналогичным по тяге двигателем из 60-х H-1

Ни разработанный для Saturn I Н-1, ни разработанный уже 1980-е его потомок RS-27A, ни Merlin 1D не относятся к классу ЖРД большой мощности.

К этому классу относятся ЖРД с тягой от 100 тс.

http://static.freereferats.ru/_avtoreferats/01002612672.pdf

"Огневые испытания жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) большой
мощности (с тягой 100 тс и более) сопровождаются..."

[jr0.livejournal.com]

Вас обязательно будут морочить, такой вам встретился оппонент. Сам выдумает критерий и вынесет приговор.

Merlin следует оценивать иначе: это единый двигатель для пусковой и выводящей ступени. Он один заменяет РД-171, РД-120, РД-8 и РД-58. Если взять Зенит, для Союза 2 это РД-107А (РД-108А), РД-0124 и С5.92. Только так становится очевидным полное технологическое превосходство. Не по тяге же на камеру судить, как профаны.

[snownoise.livejournal.com]

Ну, теоретически рокетдайн всё еще может в керосин: их AR-1 (запиленый как аналог РД-180) хоть и ужасен по соотношению цена/качество, но рано или поздно бы взлетел.
Другое дело, что итоге ULA разумно решили "нафиг керосин" и отдали предпочтение более мощному (на камеру) метановому BE-4.

И хочется ехидно добавить, что в отличие от России в США сохранилась технология изготовления водородных двигателей.

[ak-12.livejournal.com]

>Ну, теоретически рокетдайн всё еще может в керосин: их AR-1
>И хочется ехидно добавить, что в отличие от России в США сохранилась технология изготовления водородных двигателей.

Я бы сказал работа КХБА над РД-0150 похоже дает большие шансы на восстановление в России технологии производства кислород-водородных ЖРД чем те шансы что дает работа AJR над AR1 в вопросе восстановление технологии производства кислород-керосиновых ЖРД большой мощности в США.

Хотя я могу ошибаться.

[snownoise.livejournal.com]

Вероятно да.
Но американцы керосин в общем-то забросили скорее за ненадобностью.
Никаких серьезные преимуществ перед метаном у него нет даже с точки зрения конвервативных любителей военных из ULA. Его скорей в силу традиции (и кучи готовых наработок) использовали.