Почему обтекатели для ракет такие дорогие? +94

Эта статья сделана по мотивам и просьбам следующего комментария:

Охота за обтекателями

На данный момент цена обтекателей для ракет около 5-7 миллионов долларов. Многие задаются вопросом: А почему так дорого? Ведь это просто кусок металла для защиты. Это не совсем так, это не просто кусок металла, хотя и сделана эта конструкция для защиты полезной нагрузки.

Начнем с малого. Каждый килограмм обтекателей уменьшает вес полезной нагрузки. Поэтому используются легкие композиты с усилением конструкции легкими сплавами, обычно это сплавы алюминия. Конструкция напоминает собой соты (isogrid). Вес обтекателя Falcon 9 с диаметром 5.2 метра около 1.9 тонны.

image

К выбору материала также подходят с особой тщательностью, ведь обтекатель должен защищать от набегающего потока воздуха, от EMI излучения, от перепадов температуры, от прочих вибраций и механических воздействий на ПН. Например Falcon Heavy проходит звуковой барьер примерно на высоте 10 км, и потом разгоняется до 7-8 махов (2-3км/с). На данных высотах воздух все ещё достаточно плотный и происходит сильный разогрев обтекателя с быстрым охлаждением в верхних слоях атмосферы. Колебания температуры могут быть от 100С до -100С в коротком промежутке времени (около минуты). Поэтому материал должен быть устойчивым к быстрым перепадам температуры.

На примере головного обтекателя ракеты рассмотрим воздействие на него аэродинамического нагрева. На рисунке показано изменение конвективного теплового потока в носовой части обтекателя, возникающего при торможении газового потока вблизи обтекаемой поверхности.
image

Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на следующем рисунке
image

Как видно из рисунка, температура носовой части ГО превышает допустимую рабочую величину для алюминиевых сплавов. Поэтому на наружную поверхность носовой части ГО наносят ТЗП из асбопластика или стеклопластика на фенольном связующем:
image

Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке:
image

Из рисунка видно, что и в обшивке и в продольном силовом наборе (стрингерах) рабочая температура в течение полета находится в допустимых пределах. Однако для КА, находящегося внутри ГО, тепловой поток от конструкции обтекателя может быть недопустимым, в следствие чего необходима теплоизоляция нагретой конструкции от внутренней полости ГО.
Устройство такой теплоизоляции (ТИ) показано на рисунке:
image

Это нужно для поддержания температуры 10-30С для КА под обтекателем.

Так-же обтекатели должны иметь возможность вентиляции, чтобы в процессе выхода в космос уравнивать давление внутри отсека чтобы обтекатель не разрушило раньше времени изнутри.

Ещё одна сложность в том, что обтекатели должны открываться идеально чтобы не повредить ПН и ступени ракет под ними на скорости около 3-4 км/c То есть должен быть специальный механизм отделения обтекателей от ПН без повреждения полезной нагрузки и ступени под ней. Хорошее видео теста обтекателей Space X в вакуумной камере в Исследовательском институте Гленн, НАСА:



Для осуществления открытия обтекателя и для разделения ступеней в целом существует система разделения.
Система разделения (СР) предназначена для отделения и увода с траектории выведения отработавших ступеней, а также для отброса элементов конструкции, выполнивших свое функциональное назначение. Конструктивные элементы СР до срабатывания должны обеспечивать целостность конструкции РН и восприятие всех нагрузок. Срабатывание элементов СР осуществляется очень быстро, вследствие чего на борту оказываются источники быстро высвобождающейся энергии (взрывчатое вещество, аккумуляторы давления, пружины и т.д.). После срабатывания разрывных элементов происходит сложная динамика относительного
движения. В состав СР входят агрегаты, узлы и механизмы, обеспечивающие:
— надежное соединение разделяющихся частей и разрыв силовых связей,
— разведение разделяющихся частей.
К первой группе относятся пирозамки, пироболты пневмозамки, механические замки, оболочечные элементы с линейными детонирующими зарядами. Разведение обеспечивают толкатели (пневмо, пиро, пружинные), сопла для газов наддува, тормозные РДТТ, тяга двигателей.

Пироболт системы разделения:
image

Линейный детонирующий снаряд:
image

Расположение СР на обтекателе China Great Wall Industry Corporation:

image

Дополнительная сложность заключается в размере обтекателей. Он составляет примерно 15 метров на 5 метров. В него спокойно может поместиться городской автобус. Для изготовления обтекателей из металла используются специальные большие станки с ЧПУ или очень большие автоклавы в случае использования композитов. Данные процессы очень ресурсоёмкие и занимают достаточно много времени. Автоклав компании Boeing:

Автоклав в Boeing

Ну и нужно не забывать что после сборки обтекатель должен пройти серьезную проверку так как от него зависит выживаемость ПН в процессе запуска. Стоит помнить, что как и в случае с дефектами с ракетой, дефект в обтекателе приведет к потере ПН и провалу миссии уже после старта ракеты, когда отменить запуск нельзя.

Человек на фоне обтекателя для сравнения размеров:

image

Схема обтекателя:

image

Иногда при запуске тонких инструментов от обтекателей требуется создание и поддержание атмосферы чистой комнаты внутри отсека. Это накладывает дополнительные сложности при проектировании обтекателей и способствует увеличению цены.

Update
Добалена дополнительная информация.

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (47):

  1. extruder676
    /#10629055

    Весьма познавательно, спасибо. Правда выглядит слегка незавершенно.

    • chelios
      /#10629063

      Потому что информация взята из одного вопроса на сайте quora.com.

      • Nubus
        /#10629081

        Нет. Вообще информации мало по этой теме в англоязычной среде. Специально искал механизмы раскрытия обтекателей, есть научные работы, но для доступа к ним нужно платить.

        • Belking
          /#10629133

          >> Вообще информации мало по этой теме в англоязычной среде

          Наверное, в этом кроется основной секрет такой цены: само их производство достаточно сложно.

          За статью спасибо, было приятно прочитать. Она в нужной мере познавательная, дает представление в нужном объеме и прилично полнее, чем «перевод той заметки, ссылка на которую была в комментарии, на которую идет отсылка в начале статьи» (отдельное спасибо за ссылку на мой комментарий, если бы не узнал об этом уже когда в местные комменты полез после прочтения)) ), а тем кто так говорит, хотелось бы сказать следующее:

          Уважаемые,
          • Andy_Big
            /#10629157

            Знание правильных вопросов — это уже половина ответа. Как пример — добавленная в статью информация по температурам на поверхности обтекателя во время полета. Я бы не догадался спросить о ней, т.к. почему-то был уверен, что там происходит нагрев до 100-150 градусов, ничего интересного. А оказывается аж до 500 градусов — неожиданный для меня и интересный факт.

            • Bedal
              /#10629175

              Тогда раскрою вопрос шире :-)
              Для понимания температуры на передней кромке (на носке обтекателя) полезно усвоить понятие «температура торможения». Температура, по определению, есть мера средней кинетической энергии молекул. Соответственно, при известной молекулярной массе можно однозначно сопоставить температуру и скорость.
              Когда летательный аппарат рассекает воздух — его, воздуха, молекулы налетают на переднюю кромку со скоростью полёта аппарата.
              Таким образом, из скорости полёта можно вывести и температуру торможения на кромке/носке. Для 3000км/час это примерно 300°. Фактически будут, конечно, отличия, связанные с исходной температурой воздуха, отводом тепла и т.д. Но определяющей, задающей величиной является именно температура торможения.

  2. oren
    /#10629057

    Понадеялся прочитать статью про космонавтику, а тут пустышка с ключевиком «фалкон хеви».
    Очень жаль.

    • Nubus
      /#10629103

      Не минисуйте сильно автора. Этот комментарий был до апдейта статьи.

      • GuessWho
        /#10630381

        Вот тут есть еще очень интересные фотографии куска обтекателя: imgur.com/a/0bo6s

  3. nomadmoon
    /#10629061

    Так в итоге — сколько весит этот нанотехнологичный обтекатель?

    • Nubus
      /#10629109

      Примерно две тонны для Space X Falcon 9 с диаметром 5.2 метра. Точнее цифр не нашел

      • omega-hyperon
        /#10629871

        Так это только для Falcon-9 нет точных данных. Для Ариан-5 и Атлас-5 массы указаны с точностью до килограммов в их руководствах пользователя:
        www.arianespace.com/wp-content/uploads/2011/07/Ariane5_Users-Manual_October2016.pdf — на 24-й странице
        www.ulalaunch.com/docs/default-source/rockets/atlasvusersguide2010.pdf — на 25-й и 26-й
        У Атласа-5 он на данный момент самый большой по длине из используемых — 26,5 метров в максимальной конфигурации.
        Про вентиляцию в статье несколько некорректно сказано. Описанное там — это для дренаж для выравнивания давления внутри обтекателя с внешней средой. А так он обычно у большинства ракет-носителей вентилируется воздухом для поддержания теплового режима космического аппарата. На ГО 14С75 РН «Протон-М» помимо воздушного термостатирования используются еще и жидкостное — на внутренней поверхности ГО размещены специальные теплообменники. На этой фотографии они довольно хорошо видны:
        image
        Впрочем, у этого ГО довольно сложная система поддержания теплового режима относительно других.
        Также можно упомянуть и про такую особенность ГО, как необходимость полностью покрывать не только полезную нагрузку с переходной системой, но и разгонный блок, как, например это требуется для РБ «Бриз-М» или РБ «Фрегат». Ну или как требуется для РБ «Центавр» на Атласе-5. Там ситуация еще веселее, так сам РБ не только криогенный, но еще и с водородом в качестве горючего, что требует дополнительных мер в области пожаровзрывобезопасности.

  4. Andy_Big
    /#10629069

    За статью спасибо, но как-то это все не то. Похоже, что это перевод той заметки, ссылка на которую была в комментарии, на которую идет отсылка в начале статьи. Плюс немного дополнительного материала из комментариев к той заметке.
    К сожалению, это немного не то, что хотелось бы почитать про обтекатели. Здесь только общие слова "они дорогие потому что их изготовление обходится дорого и применяются дорогие материалы". Это, в общем-то, и так понятно :)
    А хотелось бы как раз технических подробностей — и про материалы, и про их специфику, и про механизм разделения. На фотографиях внутренней части обтекателей можно увидеть, что там и жгуты проводов, и какая-то пневматика или гидравлика, и что строение этих обтекателей выглядит изнутри довольно сложным (и разным в разных случаях). То есть это же не просто дорогая скорлупа, наверняка она еще и напичкана разными достаточно высокотехнологичными устройствами.

    • Nubus
      /#10629085

      К сожалению у меня нет доступа к внутренним ресурсам компаний изготавливающих обтекатели. Даже элементарно чтобы взять фотографию автоклава из Boeing нужно постараться. По обтекателям информации меньше чем по двигателям (

      • Andy_Big
        /#10629151

        Ну вот после добавления информации по рабочим температурам обтекателя и по системам разъединения статья уже стала выглядеть гораздо интереснее. Большое спасибо :)

      • GeMir
        /#10629669

        Даже элементарно чтобы взять фотографию автоклава из Boeing нужно постараться.
        Я что-то делаю не так? :)

        • Nubus
          /#10629691

          А теперь вставьте ее в статью :)

  5. scorpius_13
    /#10629101

    Я бы сюда добавил, что например, ГО 14С75 с переходной системой для РН «Протон-М» на сегодняшний день стоит примерно $3,8 млн, или примерно $3,3 млн. за сам обтекатель.
    А ГО 14С737 для РН «Союз» стоит примерно $1,75 млн.

    • nickName0
      /#10629655

      Гос.монополия (на производство, и технологию изготовления) — причина столь высокой цены.
      А как организуются работа комиссии, что расследует критичные сбои/неполадки — это отдельная тема.
      Работал в организации, что занимается изготовлением систем зажигания для авиации и космоса, потому — знаю, насколько серьёзно держат в секрете даже элементарные детали (технологии изготовления, ТТХ отдельных элементов конструкции РН).
      Хотя, если человек не забанен в гугле, процентов 75 — он может найти и в открытых источниках.

  6. agat000
    /#10629173

    Ну вот сейчас экспериментируют с возвратом ГО, возникает вопрос с её многоразовостью. В существующем виде она способна на повторные пуски? Или можно будет делать более дорогую но много разовую систему? Например титановую сразу

    • Nubus
      /#10629223

      Вес, вес и ещё раз вес. Титановая будет прочнее, но в разы тяжелее. Сам обтекатель не особо раскокаешь если аккуратно, на него бОльшие нагрузки идут во время пуска.

      • smartly
        /#10629423

        А можно уточнить, что значит «аккуратно раскокать обтекатель»?

      • zapimir
        /#10629653

        Ну можно более активно бериллиевые сплавы использовать.

  7. Kazancev
    /#10629227

    IMHO, нехватает картинки с распределением поля давления.

  8. Serge78rus
    /#10629339

    Для изготовления обтекателей из металла используются специальные большие станки с ЧПУ или очень большие автоклавы.
    Использование автоклавов как-то больше подходит не для металлов, а для композитных материалов. Да и исходник (если, конечно, мы пользуемся одним и тем же) говорит о том же:
    if metal, definitely made with a isogrid structure that is milled on large CNC machines. If Composite, maufactured using an autoclave (a very big one).

    • Gozdi
      /#10629395

      Стрингеры на чпу, оболочка из композита.

    • voyager-1
      /#10629397

      RUAG использует для своих обтекателей углеволокно покрытое пластиком, SpaceX — алюминий покрытый углеволокном (видимо из того же алюминий-литиевого сплава что и обе ступени). Собственно с учётом того что продукция RUAG используется в Ариан-5, Веге и Атласах — это уже 35% от всех запусков.

      • Gozdi
        /#10629409 / +1

        RUAG использует для своих обтекателей углеволокно покрытое пластиком


        все же RUAG Space fairings are built in composite technology based on aluminum honeycomb cores with carbon fiber reinforced plastic face sheets

        image

  9. DrPass
    /#10629417

    Интересно, спасибо, но ответа на главный вопрос все равно нет. Стоимость в несколько миллионов долларов была бы адекватной, если бы включала НИОКР всего перечисленного в статье. Но сейчас-то идет, по сути, мелкосерийное производство обтекателей. Конструкция отлажена и обкатана, вносятся только текущие улучшения. Каких-то значимых количеств редкоземельных металлов или других дорогих материалов там тоже нет. Как мне кажется, в этих миллионах долларов себестоимости куда больше зарплат дорогих специалистов запрятано, чем непосредственно производственных расходов.

    • unclejocker
      /#10629441

      Как пример — запрятана амортизация тех самых станков и автоклавов и зарплата тех кто с ними умеет работать.

    • Nordosten
      /#10629639

      Посмотрите на формулу один — там комплект в карбоновых частей на сезон стоит миллионы. Это трудозатратный и длительный процесс. Плюс автоклавы для выпекания очень дорогие.

  10. numitus2
    /#10629475

    По рассказу все равно не ясно откуда такая стоимость. Как мне кажется головной обтекатель это самая низконетхнологичная часть ракеты, почему тогда она стоит 10% её стоимости? Ведь есть еще двигатели, система управления и сам корпус.

    • numitus2
      /#10629493

      Для сравнения. Стоимость 1 двигателя 1.5 млн долларов А полная стоимость 1 ступени. 29.0млн долларов.

      • Belking
        /#10629507

        Стоимость 1 двигателя 1.5 млн долларов, вес 1 двигателя — 450-490 кг. (возьмем верхнюю границу), 1 500/500 = 3 тыс.долларов/кг. Просто их 9 — 13,5 млн.долларов.
        Стоимость обтекателя — 6 млн. долларов, вес — 1,5 тонны = 4 тыс.долларов/кг.

        И то, и другое — сложные инженерные устройства. И то, и другое требует сложных процессов при изготовлении. Но у двигателя, опять же, и сам металл, насколько я знаю, проще.

  11. Gozdi
    /#10629613

    немного свежих, годных файлов от RUAG по системам разделения

    image













    и крупные фотографии интересных элементов внутри обтекателя находятся.

    image

    image

    image

    • Nordosten
      /#10629647

      RUAG обещали тесты системы спасения ГО в 2017-2018, но пока ничего не слышно.

  12. Nordosten
    /#10629651

    На rocketbuilder.com разница между короткими 4м и 5м головными обтекателями составляет $11 миллионов, даже учитывая разную стоимость интеграции, сам ГО стоит очень дорого.

  13. vasili111
    /#10629665

    А какова цена топлива одного запуска?

    • vedenin1980
      /#10629759

      В инете нашел, что полная заправка Falcon 9 стоит 200 тыс. $, с учетом стоимости производства и цены запуска — мизер.

    • Cybertrn
      /#10629943

      В обсуждениях неоднократно фигурировала цифра 200 000$ для Falcon-9 (~156т RP-1 и 362,6т LOX для первой и второй ступеней суммарно)

  14. NIKOSV
    /#10629903

    Статья слишком длинная, нужно больше сокращений и аббревиатур типа ГО, КА, ПО, ПН, РН, ТП, ЧПУ, и т.д.

    Не, ну реально, подача материала как в советских учебниках. Можно же избежать этих инженерных терминов и повысить читабельность материала:
    полезная нагрузка (ПН) — груз
    ракета носитель (РН) — ракета
    и т.д.

    • Norno
      /#10632131

      Нет, не стоит, есть общеупотребимые термины, и их следует по возможности придерживаться, тем более что данная статься изначально имеет цель более глубокого погружения читателя в тему.
      И… вас устраивает что в статье есть схемы распределения нагрева по головному обекателю, чертежы пироболтов, но смущает термин полезная нагрузка? серьезно?

  15. black_semargl
    /#10630629

    Собственно, обтекатель от СпейсХ
    image