Сұйық ұшуды күшейту - Liquid fly-back booster

Бұл мақала Арианға арналған DLR зерттеуі туралы. NASA ғарыш кемесі LFBB туралы қараңыз Ғарыш шаттлының вариациялары мен туындыларын зерттеді.

Германия аэроғарыш орталығы (DLR) жел туннелін сынау кезінде қолданылатын LFBB моделі
Жел туннелін сынау кезінде қолданылатын LFBB моделі Неміс аэроғарыш орталығы (DLR)

Сұйық ұшатын күшейткіш (LFBB) а Неміс аэроғарыш орталығы (DLR) жобасының тұжырымдамасын а сұйық ракета күшейткіші қабілетті қайта пайдалану үшін 5. Ариана ғарыштық тасымалдаудың жоғары құнын едәуір төмендету және арттыру мақсатында экологиялық тазалық.[1] LFBB барын ауыстырады зымыранды күшейткіштер, көтерілу кезінде негізгі итермелеуді қамтамасыз етеді. Бөлінгеннен кейін, екі қанатты күшейткіш ан орындады атмосфералық кіру, автономды түрде артқа ұшу Француз Гвианасы және әуежайға ұшақ сияқты көлденең қонады.

Сонымен қатар, артықшылықты пайдалану үшін туынды зымыран тасығыштардың отбасы ұсынылды ауқымды үнемдеу, іске қосу шығындарын одан әрі төмендету. Бұл туындыларға мыналар жатады:

Неміс аэроғарыш орталығы 1999-2004 жылдар аралығында болашақ ұшырғышты зерттеу бағдарламасының бір бөлігі ретінде Liquid Fly-back Boosters зерттеді.[4] Жоба жойылғаннан кейін, DLR-де жарияланымдар 2009 жылға дейін жалғасты.[дәйексөз қажет ]

Даму

Неміс аэроғарыш орталығы (DLR) болашақ зымыран тасығыштарын зерттеді Еуропа Одағы астында Raumtransport жүйесіне арналған Ausgewählte Systeme and Technologien (ASTRA; Ағылшын тілі: ғарышты тасымалдауға арналған жүйелер мен технологиялар) бағдарламасы 1999 жылдан 2005 жылға дейін, қосымша зерттеулер 2009 жылға дейін жалғасуда.[1][4] LFBB дизайны ASTRA бағдарламасы аясындағы екі жобаның бірі болды, екіншісі Феникс РЛВ.[5][6][7] Әзірлеу кезінде DLR-де әртүрлі конфигурацияларды сынау үшін масштабты модельдер жасалды дыбыстан жоғары Trisonische Messstrecke Köln (TMK; ағылшынша: Trisonic өлшеу бөлімі at Кельн ) және оларда Hyperschallwindkanal 2 Köln (H2K; ағылшын: Гипертоникалық Кельндегі жел каналы) жел тоннельдері.[8][9] Басқа негізгі элементтердің алдын-ала механикалық дизайнын компаниялар жасады EADS ғарыштық тасымалдау және АДАМ.[4]:213

Бірнеше рет қолданылатын күшейткіштердің артықшылықтарына тек отынның бір түрін пайдаланудың қарапайымдылығы, қоршаған ортаға зиянсыздығы және шығындардың аздығы жатады. Зерттеулер нәтижесі бойынша ұшуды қайта күшейтетін күшейткіштер еуропалық ғарышқа ұшыру жүйелері үшін қайта пайдалануға жарамды бола бастайтын ең қолжетімді және ең аз қауіпті әдіс болады. Бұл ұшуды күшейтетін қондырғылар ұшыру шығындарын төмендетуге мүмкіндік алды. Алайда, басқа жобалар, мысалы Ғарыш кемесі немесе VentureStar, осы мақсатты қолға алды, олар өз мақсаттарына жете алмады. LFBB құрылысына қажетті қолдау технологияларын 10 жыл ішінде әзірлеуге болады және шығындарды азайту және зымыран тасығыштардың бірнеше кластары бойынша техникалық қызмет көрсету синергиясын қамтамасыз ету үшін ұшуды күшейтуге негізделген қосымша ұшыру қондырғыларын жасауға болады.[3]

Ақырында, аппараттық құрал тым үлкен болды және LFBB жобасы жойылды, француз ғарыш агенттігінің бір мүшесі (CNES ) ескерту:

Мені қатты таң қалдырған нәрсе, басында бұл қайта пайдалануға болатын ұшу күшейткіші тек қозғалтқыштары мен кішкентай қанаттары бар цилиндр, артындағы турбо желдеткіші болды. Үш жылдан кейін олардың әрқайсысында төрт қозғалтқышы бар көлемі жағынан толық Эйрбастар болды.

— Кристоф Боннал, CNES ұшыру дирекциясы[10]

Сипаттама

DLR сұйық ұшатын артқы күшейткіштің сызбасы, үстіңгі, алдыңғы және бүйір көріністері көрсетілген
DLR LFBB сызығының суреті, оның жоғарғы, алдыңғы және бүйір көріністері көрсетілген

LFBB бағдарламасындағы сұйық күшейткіштердің жалпы тұжырымдамасы Ariane 5 ядросы мен жоғарғы бөлігін ұстап тұру болды кезеңдері, бірге пайдалы жүктің шекаралары, және оны ауыстырыңыз зымыранды күшейткіштер (EAP P241, француз тілінен алынған Étages d’Accélération à Poudre) қайта пайдалануға болады сұйық ракета күшейткіштері. Бұл күшейткіштер ұшу кезінде негізгі бағытты қамтамасыз етер еді. Бөлінгеннен кейін олар а-ға оралады ғарыш айлағы жылы Француз Гвианасы қону үшін. Бұл тік ұшу, көлденең қону (VTHL ) жұмыс режимі сұйық ұшуды күшейтетін құрылғылардан бастап жұмысын жалғастыруға мүмкіндік береді Гвиана ғарыш орталығы Осылайша, Ariane 5.-нің көтерілу профиліндегі кез-келген өзгерісті болдырмау Криогендік A-EC (ECA) типті эволюция 10 500 кг-нан (23 100 фунт) 12 300 кг-ға (27 100 фунт) дейін артады.[3][4]:214

Анықтамалық жобада әрбір LFBB дөңгелек орналасуға орнатылған үш қозғалтқыштан тұрады артқа көлік құралы. Әр қозғалтқыш а Вулкейн төмендетілген қозғалтқыш кеңейту коэффициенті. Қосымша үш турбофан ауамен тыныс алатын қозғалтқыштар орнатылған мұрын Бөлімде ұшуды қамтамасыз етіңіз. The фюзеляж ұзындығы 41 м (135 фут), сыртқы бактың диаметрі 5,45 м (17,9 фут), қолданыстағы Ariane 5 кезеңіне сәйкес келу және өндіріс шығындарын азайту үшін арнайы жасалған. A төмен қанат V-құйрық қыша конфигурация таңдалды,[4] а қанаттар шамамен 21 м (69 фут) және ауданы 115 м2 (1,240 шаршы фут).[2] The аэрофоль негізге алынды трансондық профилі Royal Aircraft мекемесі (RAE 2822). The жалпы көтеру массасы Әрбір күшейткіштің (GLOW) мөлшері 222,5 тоннаны (245,3 қысқа тонна) құрайды, бөлінген кезде 54 тонна (60 қысқа тонна) және құрғақ массасы 46,2 тонна (50,9 қысқа тонна). Салыстырмалы түрде, EAP P241 үшін GLOW 273 тоннаны құрайды (301 қысқа тонна).[4]:209,210,214

Үдеткіш төрт тәуелсіз қозғалтқыш жүйеге ие болды, оның біріншісі - негізгі ракеталық қозғау - үш негізге негізделген гимбалданған Вулкейн 168,500 кг (371,500 фунт) отынмен қозғалтқыштар. Екіншіден, Eurojet EJ200 жанармай массасын азайту үшін турбофанатты қозғалтқыштар сутегімен қозғалады. Әрі қарай, он 2 кН (450 фунт)f) көліктің екі жағына орналастырылған итергіштер реакцияны бақылау жүйесі. Ақырында, төртінші қозғау жүйесі күшейткіштерді негізгі сатыдан бөлетін қатты ракеталық қозғалтқыштарға негізделеді. Қолданыстағы EAP күшейткіштерінде қолданылатын қозғалтқыштардың масштабталған нұсқасы қондырма сақинасына және қанаттың негізгі құрылымына орнатылатын болады.[4]:211,212

Типтік миссия профилі негізгі кезеңді және екі күшейткішті тұтандырудан басталады, содан кейін 2 км / с (1,2 миль / сек) дейін үдеу, содан кейін 50 км (31 миль) биіктікте бөліну. Негізгі кезең орбитаға ұшуын жалғастыра отырып, үдеткіштер а баллистикалық траектория, 90–100 км биіктікке (56–62 миль) жетеді. Энергия аз болғаннан кейін атмосфералық кіру, күшейткіштер атмосфераның тығыз қабаттарына жетеді, олар а банктік кезек мақсатты аэродромға қарай Сырғанау олар турбофанды қозғалтқыштарды қосу және кіру үшін оңтайлы биіктікке жеткенше жалғасады круиздік ұшу. Осы сәтте, ұшыру нүктесінен шамамен 550 км (340 миль) қашықтықта күшейткіштер ұшып өтетін болады Атлант мұхиты. Әуежайға баратын круиз шамамен 3650 кг (8050 фунт) сутегі отынын қажет етеді және оны аяқтау екі сағатқа созылады. Көлік жүрісі орналастырылып, әрбір көтергіш автономды түрде қонады. Бөлінгеннен кейін үдеткіштер бастапқы ұшу траекторияларының шамалы айырмашылығына байланысты жерге түскенге дейін соқтығысу қаупіне ұшырамайды.[3][4]:215

Туынды

Сұйық ұшуды күшейтетін қондырғылардың дамуы өндірісті ұлғайту және құру мақсатымен үш қосымша ғарыштық тасымалдау жүйесіне мүмкіндік береді ауқымды үнемдеу. DLR-де LFBB жобасының мақсаты Ariane 5 операциялық шығындарын азайту және болашақ туындыларды, соның ішінде шағын және орта зымыран тасығышының қайта пайдалануға болатын бірінші фазасын, 67 тонна жүк көтеруге қабілетті өте ауыр зымыран тасығышты дамыту болды. тонна)[2] дейін Төмен Жер орбитасы, және қайта пайдалануға болады екі сатылы орбитаға зымыран тасығышы.[11] Бастапқыда LFBB тек Ariane 5-те ғана пайдаланылатын болады. Уақыт өте келе баламалы конфигурациялар тоқтауы мүмкін Arianespace Союз және Вега.[4]:215

Қайта пайдалануға болатын бірінші кезең

RFS конфигурацияларының жоғарғы көрінісі: Vega және Ariane 5 туындылары (жоғарғы жағы), үлкен криогендік жоғарғы сатысы (төменгі жағы) LFBB көкпен көрсетілген

LFBB қайта пайдалануға болатын бірінші кезең (RFS) конфигурациясына қол жеткізу үшін үш жоғарғы сатыдағы композиттермен зерттелді. Біріншісі Вега туынды, а Зефиро 23 екінші кезең, а Зефиро 9 үшінші кезең және AVUM жоғарғы сатысы. LFBB ауыстыруымен P80 кезеңі, жүктеме күн синхронды орбита (SSO) Веганың 1450 кг (3200 фунт) салыстырғанда 1882 кг-ға (4149 фунт) дейін өседі. Екінші ан Ariane 4 H-25 деп аталатын туынды. Оның негізі H10 деңгейінің а Винчи зымыран қозғалтқышы және 25 тонна (28 қысқа тонна) криогендік отын. Тежелу әдісіне байланысты SSO-ға жүктеме 1481 мен 2788 кг (3 265 және 6 146 фунт) аралығында. Үшіншісі - баламалы, әлі дамымаған Ariane 5 негізгі сатысы негізінде 185 тонна (204 қысқа тонна) криогендік отыны бар H-185 деп аталатын үлкен криогендік жоғарғы саты. Оның SSO-ға дейінгі жүктемесі 5000 кг (11000 фунт) құрайды.[4]:216

Жеңіл конфигурациялардың екеуі (Zefiro 23 және H-25) күшейткіштің жоғарғы жағына орнатылған жоғарғы сатыларды қолданады. Салмағы аз болғандықтан, бөлу жылдамдығын, ұшу бағытын және кіруді жобалық шектен асырмауын қамтамасыз ету үшін үдеткіштегі отын мөлшерін азайту қажет болуы мүмкін. H-25 жағдайында жоғарғы сатыға қажетті орбитаға жетуге көмектесу үшін ұшуды күшейтетін күштерді 2 км / с (1,2 миль / с) жоғары жылдамдату қажет болуы мүмкін. Демек, бөлгіштен кейін күшейткіштерді бәсеңдету үшін екі шешім ұсынылды. Бірінші нұсқа, оларды 10 тонна (11 қысқа тонна) отынды пайдаланып белсенді түрде бәсеңдету және жылдамдығын 300 м / с (980 фут / с) азайту болды. Алайда, іске қосу өнімділігі Vega туындысынан төмен түсіп кетеді. Басқа нұсқа - тежелу үшін аэродинамикалық күштерді қолдану. Алайда, а гипертоникалық парашют өте қымбат және өте күрделі болып саналды. Нәтижесінде балама балет ұсынылды. Ұшу динамикасын модельдеу көлденең қимасы 45 м болатын балет екенін анықтады2 (480 шаршы фут) күшейткіштегі жүктемелер мен аэродинамикалық күштердің бәсеңдеуі арасындағы ең жақсы ымыраны ұсынды. Бұл конфигурацияда бөлу жылдамдығы ішінара жоғары болғандықтан, 2788 кг-ға (6,146 фунт) ұшыру өнімділігіне қол жеткізуге болады.[4]:216

Ең ауыр конфигурацияда асимметриялы орнатылған, үлкен, шығындалатын криогендік сатысы бар H-185 бір көтергіш қолданылады. Ол Ariane 5 негізгі кезеңінің болашақ нұсқасы ретінде ұсынылды (H158), соңында LFBB-мен стандартты іске қосу конфигурациясының негізгі кезеңінен бас тартуға арналған. H-185 вакуумдық күші күшейген жаңа Vulcain 3 негізгі қозғалтқышын қолданады. Бір күшейткішпен іске қосылған кезде екі саты да қатарлас жүргізіліп, бөлінгенге дейін 180 - 800 км орбитаға жеткізілетін болады. Қалған жоғарғы сатыдағы композиттің салмағы 7300 кг (16230 фунт) болады, ал SSO-ға 5000 кг (11000 фунт) пайдалы жүктеме беріледі. Іске қосу кезінде Төмен Жер орбитасы, пайдалы жүктің массасын 10000 кг-нан (22000 фунт) арттыруға болады.[4]:215–217

Super-Heavy Lift Launcher (SHLL)

Көк түспен көрсетілген LFBB бар SHLL конфигурациясының жоғарғы көрінісі

Super-Heavy Lift Launcher (SHLL) жаңа криогендік кезеңнен, бес сұйықтықты артқа көтергіштен және қайта жанатын инъекция кезеңінен тұрады. Бұл конфигурация күрделі миссияларға, оның ішінде адаммен барлауға арналған кеңейтілген мүмкіндіктерді қамтамасыз етуге арналған Ай және дейін Марс, сондай-ақ күн сәулесінен қуат алатын үлкен жер серіктерін ұшыру.[3]:15

Жаңа негізгі кезең биіктігі 28,65 м (94,0 фут), ал диаметрі 10 м (33 фут), 600 тонна (660 қысқа тонна) LOX /LH2 үш Vulcain 3 қозғалтқышына. Негізгі кезең шеңберінің ұлғаюы бес LFBB-ді жиналмалы немесе біріктіруге мүмкіндік береді айнымалы-геометриялық қанаттар. Жоғарғы сатысы Ariane 5 ESC-B туындысы болады, оның өлшемі 5,6 м × 8,98 м (18,4 фут × 29,5 фут) дейін көтеріліп, жоғары жүктемелерді көтеру үшін нығайтылған. The Vinci қозғалтқышы үшін жеткілікті күшті екендігі дәлелденді орбиталық кірістіру. Пайдалы жүктеме 8 м × 29,5 м (26 фут × 97 фут) көлемінде қоршалады тегістеу. Зымыран тасығышының жалпы биіктігі 69 м (226 фут) және а масса 1900 тоннаның (2100 қысқа тонна). Жүктеме Лео 67,280 кг (148,330 фунт) болады.[4]:218

200 км × 600 км (120 mi × 370 mi) төмен Жерді тасымалдау орбитасына шығарылған кезде, LFBB 51 км (32 миль) биіктікте, 1,55 км / с (0,96 миль / с) жылдамдықта бөлінеді. . Барлық күшейткіштерді бір уақытта бөлуді болдырмау үшін, негізгі кезеңге кросс-беріліс немесе дроссельдеу пайдалануға болатын еді. Күшейткіштердің кері рейсі 3050% резервті қоса есептегенде 3250 кг (7170 фунт) отынды қажет етеді.[4]:218–219

Екі сатылы орбитаға

Көк түсте көрсетілген LFBB бар TSTO конфигурациясының жоғарғы көрінісі

Қайта пайдалануға болады екі сатылы орбитаға (TSTO) LFBB зымыран тасығышының нұсқасын LFBB-ді Ariane 5-ке қосқаннан кейін шамамен 15 жыл өткен соң жүзеге асыру жоспарланған болатын.[4]:216 Алайда, тек ТСТО-ға алдын-ала талдау жасалды. Ұсынылған конфигурация сыртқы жанармай багына бекітілген, тартылатын қанаттары бар екі күшейткіштен және оның үстінде пайдалы жүкті көтеретін қозғалмайтын қанаттары бар қайта оралатын орбитадан тұрды. Кезінде геостационарлық орбита (GTO) миссиялары, қосымша кеңейтілетін жоғарғы сатысы пайдаланылатын болады.[4]:219

Сыртқы цистерна жүйенің өзегі бола отырып, 167,5 тонна (184,6 қысқа тонна) отын тасымалдайтын диаметрі 5,4 метр (18 фут) және биіктігі 30,5 метр (100 фут) болады. Бекітілген орбитаның биіктігі 28,8 метр (94 фут) және диаметрі 3,6 метр (12 фут) болуы керек, ол 50 тонна (55 қысқа тонна) отынды тасымалдайды. Орбитаның үстіндегі жүк көтергіштігі 5,4-тен 20,5 метрге (18 фут × 67 фут) тең болады. LEO миссиялары үшін зымыран тасығыштың биіктігі 57,3 метрді құрайды (188 фут), оның жалпы көтерілу массасы 739,4 тонна (815,0 қысқа тонна). LEO-ға пайдалы жүктеме 12,800 килограммды (28,200 фунт) құрайды, ал кеңейтілетін жоғарғы саты кезінде ГТО-ға 8,500 килограмға (18,700 фунт) дейін өседі.[4]:219

Сондай-ақ қараңыз

Сыртқы сілтемелер

  • ASTR LFBB техникалық мәліметтермен

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б «Sonnensegel und Satellitenkatapult» (неміс тілінде). astronews.com. 4 сәуір 2007 ж. Алынған 9 маусым 2015.
  2. ^ а б c г. «ASTRA LFBB конфигурациясы». Неміс аэроғарыш орталығы. Архивтелген түпнұсқа 23 қыркүйек 2015 ж. Алынған 30 қыркүйек 2015.
  3. ^ а б c г. e f «Wiederverwendbare Boosterstufen für Ariane 5» [Ariane 5 үшін қайта пайдалануға болатын күшейту кезеңдері] (PDF) (неміс тілінде). Raumfahrt бетон. 2009 жылғы қаңтар. Алынған 9 маусым 2015.
  4. ^ а б c г. e f ж сағ мен j к л м n o б q Сиппел, Мартин; Манфлетти, Чиара; Бурхардт, Холгер (28 қыркүйек 2005). «Қайта пайдалануға болатын күшейту кезеңдерінің ұзақ мерзімді / стратегиялық сценарийі». Acta Astronautica. Elsevier (2006 жылы жарияланған) (58): 209–221. Бибкод:2006AcAau..58..209S. дои:10.1016 / j.actaastro.2005.09.012. ISSN  0094-5765.
  5. ^ «Space Launcher жүйелерін талдау (SART)». DLR. Архивтелген түпнұсқа 30 наурыз 2014 ж. Алынған 9 қыркүйек 2014.
  6. ^ «Қайта пайдалануға болатын көлік кезеңін жобалаудағы прогресс» (PDF). Америка аэронавтика және астронавтика институты, Инк. 2012. мұрағатталған түпнұсқа (PDF) 2006 жылғы 10 қаңтарда. Алынған 9 қыркүйек 2014 - арқылы Неміс аэроғарыш орталығы (DLR). Журналға сілтеме жасау қажет | журнал = (Көмектесіңдер)
  7. ^ «Сұйық ұшатын күшейткіш (LFBB)». DLR. Архивтелген түпнұсқа 2015 жылғы 10 маусымда. Алынған 9 маусым 2015.
  8. ^ Гүлхан, Әли (2008). RESPACE - қайта пайдалануға болатын ғарыш жүйелерінің негізгі технологиялары. Кельн: Шпрингер-Верлаг. б. 20,22,26. ISBN  978-3-540-77819-6.
  9. ^ «Жел тоннельдеріндегі сұйық ұшуды күшейту конфигурациясы (LFBB) бойынша эксперименттік зерттеулер» (PDF). Американдық аэронавтика және астронавтика институты. Желтоқсан 2003. б. 4,5. Архивтелген түпнұсқа (PDF) 2015 жылғы 10 маусымда. Алынған 21 қыркүйек 2015.
  10. ^ «Францияның қоқыстарды азайту туралы заңы Arianespace үшін проблема тудыруы мүмкін». Авиациялық апта. 5 мамыр 2014 ж. Алынған 9 маусым 2015.
  11. ^ Линдеманн, Сабин. «DLR - Raumfahrtsysteme Institut - ASTRA LFBB конфигурациясы». www.dlr.de. Архивтелген түпнұсқа 23 қыркүйек 2015 ж. Алынған 30 қыркүйек 2015.