Ключевые слова: надёжность, безопасность, система аварийного спасения, САС, система аварийной эвакуации, стартовый комплекс, взрыв на стартовом столе, многоразовые средства выведения, суборбитальные ракеты, космический туризм.

Автор: инженер по надёжности Алексей Глазачев.

Введение:

Многоразовые суборбитальные космические комплексы (МСКК) – относительно новая, но крайне перспективная и интересная ветвь развития космонавтики. В настоящее время сразу несколько стран имеют проекты разработки МСКК, разной степени реализации.

МСКК разрабатывают следующие компании:

— «Blue Origin» с их ракетой «New Shepard» (США);
— «Starchaser» с их ракетой «Skybolt 2» (Великобритания).

По некоторым данным работы по созданию МСКК ведутся в России и Китае.

МСКК имеют значительный коммерческий потенциал.

МСКК могут быть использованы:

— для космического туризма;
— для медицинских экспериментов, экспериментов в области материаловедения, электроники, биотехнологии в условиях невесомости;
— для производства предметов с уникальными характеристиками в условиях невесомости.

Возможны новые, пока неизвестные направления использования МСКК, например такие как реабилитация и лечение парализованных людей в условиях невесомости.

Преимущество МСКК состоит в том, что время полёта суборбитальной ракеты является относительно небольшим (15 минут), поэтому полученные результаты экспериментов или производства доступны для учёных или покупателей сразу после посадки.

Отличительные особенности МСКК:

— относительно небольшая высота подъема многоразовой суборбитальной ракеты (МСРН) и многоразового суборбитального космического аппарата c экипажем (МСКА) (150-200 км);
— небольшое время пребывание МСКА в невесомости (около 5 минут);
— высокая частота пусков (не менее одного пуска в неделю);
— высокая или полная многоразовость МСКК.

Перечисленные особенности предъявляют высокие требования к надёжности и безопасности МСКК для суборбитальных туристов, исследователей, научного экипажа, операторов орбитального производства, обслуживающего персонала и окружающей среды.

Описание проблемы:

Одним из самых опасных этапов эксплуатации МСКК является этап посадки экипажа в МСКА. В настоящем исследовании рассматривается опасность возгорания и взрыва двигателя первой ступени МСРН. Взрыв ракеты на старте гибелен для всего живого в радиусе нескольких сотен метров от эпицентра.

Предполагается, что произошла утечка топлива и началось возгорание вблизи двигателя. Эта ситуация близка аварии на старте космического корабля (КК) «Союз Т-10-1» в 1983 году [2], и является самым опасным вариантом, так как мощность возможного взрыва будет самой высокой, так как количество топлива в баках максимальное.

Прямое моделирование взрыва затруднено, так как механизм его протекания чрезвычайно сложный и требует колоссальных вычислительных мощностей. С точки зрения обеспечения безопасности, наиболее опасным воздействующим фактором рассматривается взрывная ударная волна (ВУВ), а именно волна давления, вызванная взрывом, поскольку ее характеристическое время имеет порядок около миллисекунды.
ВУВ может вызвать разрушение МСРН и МСКА, создать слишком высокое ускорение или вызвать переворот МСКА, что тем самым исключит, например, возможность выхода тормозных парашютов. Всё это приведёт к гибели экипажа. По сравнению с ВУВ, огненный шар (температурное поражение) и поражение осколками являются значительно более медленными событиями [3].

Результаты моделирования, представленные на рисунке 1, показали, что при взрыве двигателя первой ступени МСРН ударная волна имеет веретенообразную, а не сферическую форму [3].

Рисунок 1. Форма ВУВ при взрыве двигателя первой ступени

Взрыв придаёт МСКА дополнительное ускорение, что может привести к гибели экипажа, даже если она успела отойти на безопасное расстояние с точки зрения давления ударной волны. Данное условие должно быть отражено при проектировании двигателей системы аварийного спасения (САС) [3].

В настоящее время основным средством доставки космонавтов на МКС (международную космическую станцию) является пилотируемый космический корабль «Союз», отправляемый в космос на ракете семейства «Союз».

Вот как происходит посадка космонавтов в КК «Союз»:

«…автобусы везут космонавтов на гагаринский старт, где стоит дымящаяся ракета-носитель. Дым — а точнее пар — появляется от того, что в ракету заправляют сжиженный кислород (он служит окислителем топлива). При обычных температурах жидкий кислород испаряется и превращается в газ, поэтому дозаправка кислородом длится вплоть до момента старта. Михаил Корниенко, Александр Скворцов и Трейси Колдуэлл-Дайсон на специальном лифте поднимаются к люку и залезают внутрь. Оставшееся время до старта космонавты проведут в «Союзе» (КК), и единственная связь с внешним миром будет осуществляться по радио». [4]

Из этого фрагмента выделим ключевые особенности:

— космонавты приезжают на стартовую площадку на автобусе;
-ракета «парит», следовательно, она уже находится в заправленном состоянии;
— подпитка (дозаправка) ракеты продолжается вплоть до момента старта;
— космонавты подходят к заправленной ракете, поднимаются на лифте, садятся в космический корабль, пристыкованный к заправленной ракете, когда масса топлива в баках максимальна. Мощность возможного взрыва также максимальна.

В настоящее время во время посадки космонавтов существуют так называемые «мёртвые зоны». Если в эти моменты начнётся пожар МСРН, ведущий к взрыву, спасение космонавтов и обслуживающего персонала практически невозможно. Эти «мёртвые зоны»:

1) подъезд и приближение к ракете;
2) подъём на лифте к КК;
3) вход в ракету, размещение в креслах, застегивание ремней безопасности;
4) закрытие люка КК.

Космонавты летают к МКС редко (не более 5 раз в год), поэтому такая рискованная схема посадки приемлема.
Для частых полётов МСКК необходимо придумать что-то более эффективное.

Статистика взрывов ракет на стартовых комплексах:

Вероятность катастрофической ситуации, последствия которой это гибель людей, должна быть близка к вероятности погибнуть в авиакатастрофе. В настоящее время вероятность погибнуть в авиакатастрофе составляет около 0,00000015 [1]. Это почти в 100 раз менее вероятно, чем гибель в ДТП.

Задача: обеспечить безопасность МСКК для суборбитальных туристов, исследователей, научного экипажа, операторов орбитального производства, обслуживающего персонала и окружающей среды во время «мёртвых зон».

Обзор существующих средств спасения:

О необходимости спасения космонавтов в случае возникновения аварийной ситуации задумывалась с самого начала космической эры.

Функционально можно выделить две системы, обеспечивающие спасение экипажа:

1) Система аварийного спасения (САС). Реализуется как средства, позволяющие быстро увести капсулу с экипажем на безопасное от ВУВ расстояние и дальнейшую безопасную посадку. Так же реализуется в виде кресла-катапульты.

2) Система экстренной эвакуации (CЭЭ) экипажа со стартового стола. Реализуется в виде труб для скатывания, скоростных лифтов, фуникулёров.

Существуют две основные конфигурации САС, представленные на рисунке 2.

Первый тип САС «Тягач», который широко применялся в прошлом на КК «Джемини», «Меркурий», «Аполлон» и применяется настоящем на КК «Союз».

Другой тип, «Толкатель», который активно испытывают компании «SpaceX» и «Blue Origin».

САС, реализованные в виде кресла-катапульты использовались на КК «Восток» и КК «Буран».

Производительность двигателей, а именно начальное ускорение, является наиболее важным параметром САС, так как если ускорение слишком мало, МСКА не успеет выйти из опасной зоны, однако, если ускорение, развиваемое двигателями САС слишком высокое, экипаж погибнет из-за разрывов внутренних органов. Зависимость влияния ускорения на человеческую жизнь показано в директиве NASA. Human Integration Design Handbook. NASA Handbook. NASA/SP-2010-340 [8].

Рисунок 2. Возможные конфигурации САС

На рисунке 3 показано число Маха для разных конфигураций САС, а на рисунке 4 показана зависимость ускорения от числа Маха для разных конфигураций САС. Ускорение вычисляется путем суммирования как давления, так и вязких сил на поверхности САС, в том числе внутри двигателей САС.

Ускорение конфигурации «Тягач» (Tractor) меньше, чем ускорение конфигурации «Толкатель» (Pusher). Шлейф двигателя САС влияет на МСКА, и это является одним из основных источников снижения ускорения. В дополнение к этому, коэффициент расширения сопла является небольшим в САС типа «Тягач», так как двигатели должны быть размещены на мачте САС небольшого диаметра. Поэтому использование конфигурации «Толкатель» более предпочтительно [3].

Рисунок 3. Числа Маха для разных конфигураций САС

Рисунок 4. Зависимость числа Маха и ускорения для разных конфигураций САС

Следует отметить, что САС КК «Союз», реализованная по типу «Тягач», первый раз в мире обеспечила спасение космонавтов со стартового стола в 1983 году.

Не смотря на свои сильные стороны, обе конфигурации САС не обеспечивает спасение экипажа и обслуживающего персонала в следующих «мёртвых зонах»:

1) подъезд и приближение к ракете;
2) подъём на лифте к КК;
3) вход в ракету, размещение в креслах, застегивание ремней безопасности;
4) закрытие люка КК.
Существует несколько разных вариантов реализации СЭЭ.

КК «Восток», «Восход», «Меркурий» и «Джемини» не имели СЭЭ.
КК «Союз» не имеет СЭЭ, хотя до сих пор находится в эксплуатации.
КК «Буран» имел СЭЭ. Это был так называемый агрегат экстренной эвакуации (АЭЭ) в виде труб, подведенных к кабине корабля, по которым космонавты могли скатиться в безопасное место. АЭЭ представлен на рисунке 5.
КК «Спейс Шаттл» имел СЭЭ в виде корзин-кабинок, в которых космонавты могли эвакуироваться в безопасное место. Аналогичная система была у КК «Аполлон».
Для разрабатываемого КК «Орион» предполагалась СЭЭ в виде тележек, в которых космонавты могли эвакуироваться в безопасное место как на «американских горках».
Достоверно неизвестно, будет ли использоваться СЭЭ в пилотируемых проектах «Blue Origin» и «SpaceX».

Рисунок 5. «Буран». Хорошо видны трубы АЭЭ

Не смотря на значительные размеры и возможности СЭЭ, они не обеспечивает спасение экипажа и обслуживающего персонала в следующих «мёртвых зонах»:

1) подъезд и приближение к ракете;
2) подъём на лифте к КК.

С некоторой вероятностью СЭЭ может спасти экипаж и обслуживающий персонал во время входа в космический корабль, размещения в креслах, застегивания ремней безопасности. Также с некоторой вероятность СЭЭ может спасти экипаж во время закрытия люка КК.

Учитывая, что аварийная ситуация (пожар на ракете) развивается очень быстро, у экипажа и персонала есть буквально несколько секунд для того, чтобы добежать и воспользоваться СЭЭ. Насколько это возможно в случае реальной аварийной ситуации – неизвестно.

Возможное решение проблемы:

В ТРИЗ (теории решения изобретательских задач) существует приём, который называется законом повышения идеальности системы. Идеальная техническая система — это система, вес, объём и площадь которой стремятся к нулю, хотя её способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция её выполняется [9].

Повторим нашу задачу: необходимо обеспечить безопасность МСКК для суборбитальных туристов, исследователей, научного экипажа, операторов орбитального производства, обслуживающего персонала и окружающей среды во время «мёртвых зон».

Предлагаемое решение состоит в том, чтобы сажать космонавтов в пустую, сухую, незаправленную МСРН.

Использование этого подхода позволяет уйти из «мёртвых зон» и значительно снизить опасность для экипажа и обслуживающего персонала в следующих ситуациях:

1) подъезд и приближение к ракете – безопасно;
2) подъём на лифте к КК – безопасно;
3) вход в КК, размещение в креслах, застегивание ремней безопасности – безопасно;
4) закрытие люка КК – безопасно.

МСКА при этом может использовать твердотопливные двигатели, отличающиеся более высокой надёжностью и безопасностью чем жидкостные.

В случае если МСКА использует жидкостные ракетные двигатели, он должен быть заправлен. Всё равно он будет безопаснее, чем заправленная МСКА, поскольку в нём будет намного меньше топлива и вероятность пожара и взрыва будет намного меньше. Либо МСКА заправлен менее взрывоопасными компонентами.

Сразу после размещения экипажа в МСКА, закрытия люка и его проверки на герметичность САС переводится в режим ожидания. Обслуживающий персонал покидает стартовую площадку. Экипаж защищён.
После этого начинается основная заправка МСРН.

Учитывая, что размеры суборбитальных ракет значительно меньше, чем размеры «классических» РКН, их баки значительно меньше. Использую мощные, высокопроизводительные насосы заправка МСРН может быть проведена не в течении нескольких часов, а значительно быстрее.

Например, РКН «Зенит-3SL» заправляется примерно за 1.5 часа. Заправляемые объемы горючего (РГ-1): 90 тонн первая ступень, 20 тонн — вторая ступень. Производительность топливного насоса составляет примерно 1.2 тонны в минуту. Тогда ракету с массой горючего 30 тонн можно будет заправить за 15 минут.

Недостатком такой схемы для экипажа является необходимость ждать, находясь пристегнутыми в своих креслах в КК.

Суборбитальные туристы в время могут записать видеообращение, которое будет крайне интересно пересмотреть после полёта и в будущем. Сразу после окончания заправки и отхода заправочных устройств производится пуск МСРН.

Ещё одно преимущество подобной схемы заправки состоит в том, что в этом случае не нужна «подпитка» МСРН и не нужна СЭЭ.

Одним из неизученных мест является необходимость дополнительных расчётов прочности и устойчивости. Нужно убедится, что, находясь в вертикальном положении МСРН не развалится и не упадёт, пока к ней будет пристыкован заправленный МСКА.

Заключение:

Я надеюсь, что эта статья будет способствовать созданию высоконадёжной космической техники и вдохновит инженеров на новые открытия и изобретения. Я надеюсь, что космические полёты в течении XXI века станут массовыми и безопасными и позволят людям воплотить их мечты о звёздах и космосе. Благодарю за внимание. Алексей Глазачев.

Источники информации:

[1] https://aviation-safety.net/statistics/
[2] Sanchez, M. J., 2007. A human factors evaluation of a methodology for pressurized crew module acceptability for zero-gravity ingress of spacecraft. NASA/TM—2000–209764
[3] «Development of numerical simulation method for safety evaluation of launch abort during ascent phase. Japan Aerospace Exploration Agency»
[4] https://lenta.ru/articles/2010/04/06/cosmonauts/
[5] http://www.v2rocket.com/start/deployment/timeline.html
[6] Proposed approach for estimating launch vehicle explosive risk
Russell W. Claus and Edward Zampino † NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio 44135
[7] https://ru.wikipedia.org/wiki/Хронология_пилотируемых_космических_полётов
[8] NASA. Human integration design handbook. NASA Handbook. NASA/SP-2010-340
[9] https://ru.wikipedia.org/wiki/Теория_решения_изобретательских_задач