Содержание
Почему обтекатели для ракет такие дорогие? / Хабр
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.
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.
Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на следующем рисунке
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:
Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке:
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:
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:
Линейный детонирующий снаряд:
Расположение СР на обтекателе China Great Wall Industry Corporation:
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:
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:
Схема обтекателя:
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.
| Опыт применения пакета NASTRAN в учебном процессе на кафедре «Космические аппараты и ракеты-носители» МГТУ им. Н.Э.Баумана В настоящее время, в соответствии с планом международного сотрудничества, создается космический радиотелескоп (КРТ) «Радиоастрон» КА «СПЕКТР-Р», предназначенный для работы в диапазонах длин волн 1,35 см, 6 см, 18 см и 92 см.. Общий вид КРТ представлен на рис. 1. Его орбитой является сильно вытянутая эллиптическая орбита с апогеем около 90000 км, перигеем около 3000 км и наклонением 51.6. Рис. 1. Общий вид КРТ. Зеркало рефлектора состоит из центральной части и 27 лепестков, которые на этапе выведения на орбиту складываются вокруг продольной оси Х аппарата (рис.2). Зеркало в развернутом виде представляет собой параболоид вращения с фокальным расстоянием 4220 мм и диаметром 10000 мм. Таблица 1
Рис. В связи с исключительно высокими требованиями к точности отражающей поверхности КРТ, а также его уникальными размерами, исключительно важной задачей стало моделирование деформированного состояния на различных этапах функционирования. На начальном этапе исследования был рассмотрен отдельный лепесток зеркала. Его конечно-элементная модель представлена на рис. 3. Модель состоит из 1930 элементов различного типа и содержит 1898 узлов. Рис. 3 Конечно-элементная модель лепестка. На рис. 4 и 5 представлены результаты расчета температурного состояния оболочки лепесткового элемента отражателя КРТ для двух вариантов материала оболочки: 1) оболочка изготовлена из углепластика и алюминиевых сот; 2) оболочка изготовлена из алюминия. Толщина алюминиевой оболочки выбиралась из условия равной жесткости с трехслойной оболочкой «углепластик – алюминиевые соты – углепластик». Рис.4 Поле температур многослойной оболочки при освещении аппарата Солнцем снизу. Рис. 5 Поле температур оболочки из алюминия при освещении аппарата Солнцем снизу. Рис. 6 Поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности. Рис.7 Вид деформированной отражающей поверхности. Рис.8 Поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности. Оболочка из алюминия. Рис.9 Вид деформированной оболочки. Полученные в ходе испытаний данные по температурным полям и температурным деформациям очень хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования эксперимента. Рис. 10 Общий вид лепестков в термовакуумной камере перед испытаниями. На рис. 11 представлена конечно-элементная модель КРТ. Модель состоит из 7808 элементов различного типа и содержит 5610 узлов. Рис. 11 Конечно-элементная модель КРТ. Рис. 12 Поле температур на переходном отсеке при освещении КРТ Солнцем сбоку. Рис. 13 Поле перемещений, нормальных к отражающей поверхности. Рис. 14 Деформированный вид КРТ. Литература.
| ||||||||||||||||
| Н. Э. Баумана (мгту им. Н. Э. Баумана)” Военное обучение в мгту им…. Авторы: В. Л. Власов, В. И. Горелов, А. Ю. Кабардинский, В. А. Кузнецов, А. А. Лахтиков, Н. Д. Максименко, И. П. Малышев, С.  П. Остриков,… | Принято на заседании Уставом Университета и Коллективным договором мгту им. Н. Э. Баумана в Университете устанавливается система премирования (поощрительных… | |||||||||||||||
| Андрей Валерьевич Проскуряков Переводчик в сфере профессиональной коммуникации, мгту им. Н. Э. Баумана, специалист (переводчик) | Максим Калашников Битва за небеса Русский «нефтеград» в море юго-восточнее Сайгона и настоящий Китеж в скальных толщах Красноярска Космические «часовые» страны и генераторы,… | |||||||||||||||
| Российские сми о мчс мониторинг за 6 мая 2010 г Мчс хочет создать факультет робототехники в мгту им. Баумана (Газета. Ру, 05. 05. 2010) 5 | Азовательные технологии и их использование в системе гуманитарной… Межвузовский центр по историческому образованию в технических вузах Российской Федерации | |||||||||||||||
Рекомендации по использованию в учебном процессе интерактивных образовательных. ..Данные рекомендации развивают некоторые положения Рекомендаций по использованию инновационных образовательных технологий в учебном… | Учебно-методическое пособие Москва Издательство мгту им. Н. Э. Баумана 2009 Кроме того, в пособие включены разнообразные лексико-грамматические упражнения, способствующие развитию и закреплению навыков понимания… | |||||||||||||||
| Учебник создан преподавателями кафедры «Промышленная экология и безопасность» «Безопасность жизнедеятельности» (бжд) для всех специальностей и направлений бакалавриата высшего профессионального образования…. | Учебник создан преподавателями кафедры «Промышленная экология и безопасность» «Безопасность жизнедеятельности» (бжд) для всех специальностей и направлений бакалавриата высшего профессионального образования…. | |||||||||||||||
| Литература по применению аппаратов лазерной и квч терапии, лазерной… Аппараты лазерной терапии серий «Матрикс», «лазмик», «Мустанг», «Мулат», «Узор» и др | Рабочая программа по дисциплине фтд. 01 Документальное обеспечение строительных работРабочая программа составлена на основании гос впо специальности (направления) 260601. 65 Машины и аппараты пищевых производств и… | |||||||||||||||
| Памятка использование пиротехнических изделий накануне новогодних… Петарды, ракеты, «бомбочки», салюты, фейерверки и прочая новогодняя развлекательная пиротехника пользуется большим спросом и представляет… | Баученков Сергей Андреевич Цифровые методы топографических съёмок… | |||||||||||||||
| Условия предоставления гарантии на копировальные аппараты A4, копировальные… | Перечень программного обеспечения ibm, рекомендуемых к освоению в… |
Наиболее значительной работой за это время стало сотрудничество с Астрокосмическим центром Физического Института им. Лебедева РАН по созданию крупногабаритного космического радиотелескопа “Радиоастрон”.
Технические характеристики КРТ приведены в таблице 1.
2. Вид КРТ под обтекателем РН.
Задавались температурные зависимости величин коэффициентов излучения, поглощения, теплопроводности и удельной теплоемкости материалов конструкции. Внешние тепловые потоки и внутренние тепловыделения задавались в функциональной зависимости от времени.
Многослойная оболочка.
При ее создании с небольшими изменениями была использована модель лепестка, представленная на рис. 3. Такой подход позволил существенно сократить время на разработку данной модели а также приемственность работ студентов.
-–М.: Наука, 1985. – С.84-99.
Техн. Университета, 1997. С.305-306.
Программное обеспечение MSC обеспечивает структурную целостность пусковых установок VEGA
Пусковая установка Vega.
Изображение предоставлено: Arianespace.
В то время как гонка на Марс попадает в заголовки газет, продолжается еще одна космическая гонка, которая определит цифровую эру и то, как мир связан: спутники. Спутники необходимы для многих услуг, которыми мы пользуемся каждый день, от GPS-отслеживания местоположения до высокоскоростной связи с сетями 5G. В космосе развернуто более 2000 активных спутников, многие из которых находятся очень близко к поверхности Земли на низкой околоземной орбите (НОО).
В последнее десятилетие спрос на низкоорбитальные спутники возрос из-за потребности в более быстрых сетях и большей связности. Например, программы наблюдения Земли, такие как программа Copernicus Европейского космического агентства (ЕКА), должны иметь возможность получать непрерывные и высококачественные изображения, чтобы предоставлять точную информацию для использования в наземном мониторинге. Спутники LEO имеют решающее значение для предоставления этих данных в режиме реального времени в обсерватории, а их запуски также менее дороги и требуют меньше топлива, чем другие спутники, работающие дальше.
Однако запуск на эту орбиту требует большой технической точности. Ракета-носитель спутников ЕКА, VEGA, была специально разработана Avio с использованием инструментов моделирования, предоставленных MSC Software, которая является частью подразделения Hexagon Manufacturing Intelligence, для отправки небольших спутников на НОО. С момента своего первого полета в феврале 2012 года небольшая и гибкая ракета-носитель VEGA успешно вывела на орбиту более 20 космических аппаратов. Следующая фаза пусковой установки VEGA, VEGA-C, была одобрена и в настоящее время проходит проверку.
Акустический вызов
Среди множества технических задач при проектировании VEGA самой важной было обеспечение целостности конструкции и создание безопасной среды для груза: полезной нагрузки спутника. Ракеты-носители подвергаются суровым условиям при старте, от палящего тепла до огромного атмосферного давления, но акустическая нагрузка является наиболее критической. Шум, создаваемый пусковой установкой во время зажигания, взлета и полета, может вызвать вибрации и привести к неисправности электронных и механических компонентов как пусковой установки, так и ее груза.
Чтобы этого не произошло, инженеры Avio использовали вычислительный подход, чтобы предсказать, как звук влияет на конструкцию при взлете. С помощью решений для автоматизированного проектирования (CAE), MSC Nastran и Actran они смогли создать точные платформы анализа методом конечных элементов (FEA) для структурного моделирования. Эти инструменты моделирования используются практически во всех отраслях промышленности, от аэрокосмической до медицинской техники.
Avio использовала Nastran для расчета естественного движения конструкции VEGA и применила Actran для моделирования как акустической среды, так и акустической нагрузки этой конструкции.
Карта межэтапного отклика.
Акустический анализ верхней ступени пусковой установки VEGA
Пусковые установки Avio VEGA и VEGA-C состоят из нескольких ступеней, каждая из которых играет важную роль и требует обширных испытаний перед полетом. Обтекатель полезной нагрузки, установленный в верхней ступени ракеты-носителя, отвечает за защиту космического корабля.
Это конус из композитных полимерных листов, армированных углеродным волокном, которые защищают космический корабль от удара при запуске. Он защищает его от атмосферной турбулентности и тепла, пока ракета-носитель проходит через атмосферу Земли, защищая ее и полезную нагрузку от разрушительных звуковых волн во время взлета.
Чтобы оценить полную реакцию конструкции верхней ступени VEGA, на Большой европейской акустической базе ЕКА были проведены экспериментальные акустические испытания, которые могут имитировать шум при взлете. Во время испытаний была измерена акустическая среда внутри обтекателя полезной нагрузки, и компания MSC Nastran использовалась для создания модели конечных элементов (КЭ) всей конструкции верхней ступени.
Первым шагом была оценка общего поведения обтекателя полезной нагрузки при воздействии внешней акустической нагрузки. Было проведено исследование для оценки различных возможностей моделирования, предоставляемых Actran, и необходимого вычислительного времени при разработке новых пусковых установок.
В первом моделировании возбуждение диффузного звукового поля (DSF) применялось непосредственно к внешней конструкции с использованием данных, полученных в результате акустических измерений, для проверки структурной целостности космического корабля во время запуска под воздействием акустического давления. Эта быстрая и полезная численная стратегия позволила получить представление о структурных вибрациях, но не смогла смоделировать звуковое давление внутри конструкции и то, как оно на нее влияет, поскольку акустическая среда внутри и снаружи обтекателя не моделировалась.
Чтобы преодолеть это ограничение, было выполнено второе моделирование для исследования внутренних акустических полостей. КЭ-модели полостей обтекателя были добавлены ко всем конструкциям, и были исследованы две возможности: гибридное решение со структурой в качестве модальных компонентов и полостями в качестве физических компонентов и полностью модальное решение с конструкционными частями и акустическими полостями в качестве модальных компонентов.
составные части. Последнее решение оказалось более гибким и универсальным.
Было проведено окончательное моделирование, чтобы обеспечить очень подробную реконструкцию тестовой пусковой установки. Это обширное моделирование позволило точно смоделировать внешнюю и внутреннюю среду. Тем не менее, это было очень требовательно с точки зрения памяти, возможностей (ОЗУ) и времени вычислений из-за степеней свободы, задействованных в анализе.
Новая пусковая установка VEGA-C
После проверки VEGA с помощью этих испытаний была применена та же методология акустического моделирования для оценки виброакустического отклика новых конструкций VEGA-C. VEGA-C сможет принимать более крупные полезные нагрузки, такие как спутники наблюдения Земли весом более двух тонн. Инженеры Avio проанализировали его наиболее чувствительные части: промежуточные ступени между твердотопливными двигателями и верхней ступенью.
Межступенчатые конструкции соединяют различные части многоступенчатой ракеты.
Они также отвечают за разделение ступеней после запуска. Эти конструкции чувствительны к виброакустике, потому что они содержат большую часть электронного оборудования ракеты, поэтому для оценки их реакции использовалась та же комбинация MSC Nastran и Actran.
Одним из примеров межступенчатых конструкций являются адаптеры полезной нагрузки, которые соединяют спутник с ракетой-носителем. Как VEGA, так и VEGA-C пусковые установки чрезвычайно гибки благодаря своей способности приспосабливаться к различным адаптерам полезной нагрузки, что позволяет им одновременно нести несколько полезных нагрузок в соответствии с различными конфигурациями. Однако, поскольку адаптеры полезной нагрузки вносят вклад в общую жесткость пусковой системы, на них могут сильно влиять резонансы в полости обтекателя, поэтому важно предсказать вибрацию, которой они будут подвергаться. Поэтому при анализе учитывались внутренние полезные нагрузки, моделируя их в сочетании с конструкцией пусковой установки и акустическими полостями.
Внешний и внутренний акустические домены с соответствующими микрофонами и точками измерения. Изображение предоставлено: Avio.
Тестирование новых возможностей моделирования
В дополнение к описанному выше подходу FE группа инженеров Avio также выполнила статистический энергетический анализ (SEA) обтекателя полезной нагрузки, используя подход Actran Virtual SEA. Этот метод позволяет инженерам прогнозировать, как звуки и вибрации проходят через конструкцию, особенно на более высоких частотах, где шум может быть более проникающим. Опираясь на предыдущие модели КЭ, подход Virtual SEA, реализованный в Actran, позволяет проводить эффективный виброакустический анализ на основе существующих моделей КЭ, расширяя их до более высоких частот, не требуя специальных знаний SEA. Кроме того, поскольку подход Virtual SEA основан на существующих низкочастотных моделях конечных элементов, результаты SEA действительны как на низких, так и на средних частотах и обеспечивают плавный переход между результатами на средних и высоких частотах.
Когда сравнили имеющиеся физические измерения и результаты Actran Virtual SEA для конструкции обтекателя, инженеры обнаружили, что оба результата были схожими, что продемонстрировало потенциал этого нового подхода для проведения такого анализа. Кроме того, Actran и подход Virtual SEA обеспечивают единую среду, в которой инженеры могут решать свои виброакустические задачи во всем диапазоне частот и использовать несколько инструментов для анализа низких, средних и высоких частот. С тех пор этот подход использовался для дальнейшего структурного анализа на VEGA-C.
С помощью решений MSC Software — MSC Nastran и Actran — инженеры Avio смогли предсказать влияние шумовых вибраций на структурную целостность своих пусковых установок, VEGA и VEGA-C, убедившись, что жизненно важные компоненты этих пусковых установок способны выдерживать экстремальные нагрузки при запуске и взлете.
Программное обеспечение MSC
mscsoftware.com
Рубрики: Программное обеспечение
С тегами: Программное обеспечение MSC
ZIN Technologies | Ракеты-носители | Наземные системы
НАЗЕМНЫЕ И ЗАПУСКНЫЕ СИСТЕМЫ
Изображение предоставлено: НАСА
ZIN имеет опыт предоставления услуг по запуску полезной нагрузки на коммерческих одноразовых ракетах-носителях.
Наши инженеры и эксперты в данной области предоставляют услуги по проектированию и анализу ракет-носителей. ZIN предоставляет услуги по проектированию систем ракет-носителей, включая проектирование электрооборудования и авионики, программную безопасность, услуги по проектированию надежности. У нас есть опыт в разработке конструкции транспортного средства путем анализа конструкции, нагрузки и динамики ракет-носителей большой грузоподъемности (HLV) системы космического запуска (SLS) следующего поколения. У нас есть опыт работы с кожухами полезной нагрузки и композитными конструкциями, а также уникальные знания в области шумоподавления в широкополосном диапазоне от низких (<150 Гц) до высоких частот.
Услуги по запуску ракет
ZIN поддерживает Программу услуг по запуску (LSP) НАСА, предоставляя комплексные услуги по запуску полезной нагрузки, спонсируемой НАСА и НАСА, на коммерческих одноразовых ракетах-носителях. ZIN предоставляет услуги по проектированию систем ракет-носителей, включая проектирование электрооборудования и авионики, программную безопасность и услуги по проектированию надежности.
Мы предоставили ряд услуг по поддержке транспортных средств, таких как Atlas II/V, Delta II/IV, Pegasus XL, Taurus XL/2, Falcon 1/9., Minotaur I/IV и новая система космического запуска. ZIN отвечает за поддержание безопасных и здоровых рабочих мест и принимает активные меры по защите персонала и имущества.
Изображение предоставлено: НАСА
Универсальный адаптер сцены
Компания ZIN провела акустический анализ и разработала новую акустическую обработку для снижения низкочастотных акустических нагрузок на обтекатель полезной нагрузки, 150 Гц (усовершенствованный камерный аттенюатор для низких частот, eCALF) . Наше тестирование eCALF как на поглощение, так и на потери при передаче показало большие уровни затухания 10 дБ в решении с малой массой. Резонаторы eCALF изначально были разработаны для аэрокосмических приложений, таких как ракеты-носители, но также могут быть настроены для авиационных приложений, таких как требования по подавлению широкополосных низкочастотных и высокочастотных шумов.
Изображение предоставлено: НАСА
Система космического запуска
ZIN имеет более чем десятилетний опыт разработки технологий ракет-носителей большой грузоподъемности, что привело к разработке системы космического запуска (SLS). ZIN обеспечивает структурный анализ и оптимизацию новых составных и существующих обтекателей полезной нагрузки, а также межступенчатых и основных межбаковых конструкций с использованием HyperSizer/NX Nastran. разработка программного обеспечения SepTOOL, которое использует динамику многотелого жесткого тела закрытой формы и нежесткого тела для оценки разделительных зазоров обтекателей полезной нагрузки для различных параметров полета и геометрии летательного аппарата. ZIN также обеспечивает поддержку системного проектирования, работая вместе с NASA GRC, MSFC и LaRC для анализа системных требований, наземных операций и интерфейсов.
Изображение предоставлено: НАСА
Наземные системы
ZIN имеет опыт проектирования и строительства модернизации/модификации/ремонта на нескольких объектах НАСА.