Как (не) построить заново «Сатурн-5»
Oct. 28th, 2019 12:38 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
fonzeppelinИ 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.
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.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2019-11-09 06:20 pm (UTC)На "Вулкан" никогда не планировался РД-180. По своему смыслу это - "Атлас-5" с другой второй ступенью, без РД-180.
Конкурс на двигатель второй ступени "Вулкана" завершился только в 2018 году и там победил BE-4.
no subject
Date: 2019-11-09 06:52 pm (UTC)https://en.wikipedia.org/wiki/Vulcan_(rocket)
By early 2014 it was clear that ULA would have to develop a new launch vehicle to replace its existing fleet. Additionally, the Atlas V booster uses a Russian RD-180 engine, which led to a push to replace the RD-180 with a U.S. built engine during the Ukrainian crisis of 2014. Relying on foreign hardware to launch critical national security spacecraft was also seen as undesirable. Formal study contracts were issued by ULA in June 2014 to several U.S. rocket engine suppliers.[19] ULA was also facing competition from SpaceX, then seen to affect ULA's core national security market of U.S. military launches, and by July 2014 the United States Congress was debating whether to legislate a ban on future use of the RD-180.
In September 2014, ULA announced that it had entered into a partnership with Blue Origin to develop the BE-4 liquid oxygen (LOX) and liquid methane (CH4) engine to replace the RD-180 on a new first stage booster. At the time, ULA expected the new booster to start flying no earlier than 2019. ULA has consistently referred to Vulcan as a 'next generation launch system'.
no subject
Date: 2019-11-12 08:30 pm (UTC)Теперь прочитайте, что написано в процитированном.
Где там про "Вулкан" с РД-180?
no subject
Date: 2019-11-13 12:51 am (UTC)"ULA рассматривали концепты ракет в течение первых десяти месяцев с момента основания компании в 2006 году. Разные концепты для замены ракет на базе серий ракет Атлас и Дельта, унаследуют от компаний предшественников финансирование, предоставленное им правительством США.
В начале 2014 года геополитические и политические факторы, связанные с международными санкциями в условиях украинского кризиса, привели к попытке ULA рассмотреть возможность замены двигателей РД-180 российского производства, используемых в первой ступени РН Атлас-5. Официальный контракт на исследование был выдан ULA в июне 2014 некоторым американским производителям ракетных двигателей. ULA также столкнулись с конкуренцией со стороны SpaceX, на то время наблюдавших за влиянием ULA на основной рынок национальной безопасности США военных запусков, и в июле 2014 года с обсуждением в Конгрессе США законности запрета на использовании в будущем двигателей РД-180. В сентябре 2014 ULA заявили, что вступят в партнёрство с Blue Origin для разработки BE-4 — принципиально нового, кислородно-метанового двигателя, в качестве замены РД-180 на новой первой ступени ускорителя."
А может быть вот эта цитата разъяснит как РД-180 пролетел мимо "Вулкана"?
"Толчком к созданию Vulcan является конкуренция со стороны SpaceX и требование заменить российский двигатель RD-180, который служит главной силовой установкой для Atlas 5. Конгресс ввел запрет на будущее использование российских двигателей в миссиях национальной безопасности США после аннексии Россией украинского Крыма в прошлом году... Первым шагом программы Vulcan является новый двигатель первой ступени BE-4 на метановом топливе, который разрабатывается компанией Blue Origin из Кента, штат Вашингтон. ULA также работает с Aerojet Rocketdyne над двигателем AR-1 на случай, если у BE-4, финансируемого Blue Origin, возникнут проблемы с разработкой."
И так, концепты ещё в 2006 г., но ничего конкретного до 2014 г. когда "геополитические факторы" и запрет Конгресса на будущее использование российских ЖРД в миссиях критичных для "национальной безопасности США" заставили функционеров ULA что-то срочно предпринимать, в частности оформить концепты во что-то конкретное, дать этому название "Вулкан", найди для "Вулкана" метан-кислородный BE-4, а так же керосин-кислородный AR-1 "на случай, если у BE-4, финансируемого Blue Origin, возникнут проблемы с разработкой".
Вы будете настаивать на том что переход в начале 2014 г. из концептуальной в инженерную фазу проекта замены "Атлас V" и выбор для этого проекта метан-кислородного BE-4 (при резервном керосин-кислородном AR-1) был вызван техническими, а не политическими причинами?