Как сделать космическую ракету быстрее, проще и дешевле?

Старый изобретательский принцип гласит: «Лучшая машина — это машина, которой нет». С этой точки зрения лучшая космическая ракета — ракета, у которой нет двигателя, нет топлива, нет баков, а только полезная нагрузка, которая каким-то образом сама возносится на орбиту. Ракетостроители бьются за каждый грамм: потому что каждый грамм конструкции это дополнительное топливо, а дополнительное топливо — и в этом проклятие формулы Циолковского — требует еще топлива и дополнительной массы конструкции, и так далее, и так далее. В итоге, чтобы вывести на орбиту сто килограммов, вам нужна ракета массой в десятки тонн. И большая ее часть — это баки с топливом. Но тысячи людей тратили годы жизни на то, чтобы сделать эту цистерну чуть легче, стенки чуть тоньше, но при этом достаточно прочной.

Ракета «Союз-5» — носитель среднего класса, который должен прийти на смену «Зениту», единственной ракете, которую можно запускать с плавучего космодрома «Морской старт». Строить «Союз-5» начинают так: сначала плиту весом 650 килограммов размером 4,4 на 1,7 метра отливают на Каменск-Уральском металлургическом заводе в Свердловской области из типичного для России аэрокосмического сплава АМг6, который больше чем на 90 процентов состоит из алюминия, но содержит еще и магний, железо, титан, марганец и еще с полдесятка компонентов. Чтобы плита была ровной, ее несколько раз «прогоняют» на прокатном стане, под действием вальцов плита не только выравнивается, но еще и нагартовывается — то есть кристаллическая структура ее меняется, приобретая дополнительную прочность. Затем плиту везут примерно 900 километров на запад, в самарский «Прогресс».

Здесь ее фрезеруют с обеих сторон, удаляя все неровности и дефекты. На этом этапе в стружку превращается примерно 120 килограммов сплава АМг6. Похудевшую, но уже ровную плиту гнут — вальцуют, превращая ее в сектор цилиндра, а затем сваривают с двумя другими. Получившееся кольцо отправляется в другой цех, который почти целиком занимает фрезерный станок высотой в три человеческих роста.

Вертикальный фрезерный станок, который вырезает вафельный фон на уже сваренной обечайке бака. / РКЦ «Прогресс»    

Фреза вырезает на внутренней поверхности кольца одинаковые квадратные впадины размером примерно 10 сантиметров и глубиной в два. Это продолжается примерно месяц, к концу которого кольцо изнутри превращается в «вафлю», а каждая плита худеет до 110 килограммов. 16 таких колец ставят друг на друга — так получаются баки топлива и окислителя, из которых состоит корпус первой ступени ракеты-носителя «Союз-5».

Но можно делать иначе.

Под Москвой стоит неприметный бело-оранжевой ангар высотой в два этажа. Он совсем не похож на ракетный завод, к каким мы привыкли. Тем не менее, здесь, в «Центре разработок С7» собираются делать ракеты — пока не такие большие, как «Союзы», но вполне настоящие носители легкого класса, которые будут способны выводить на орбиту настоящие спутники. На следующей стадии их цель — создать ракету среднего класса, которая сможет заменить «Зенит» на плавучем космодроме «Морской старт», хозяином которого несколько лет назад стала S7. И кажется, им удалось найти способ не гонять поезда из Свердловской области, а потом еще и переводить тонны дорогого ракетного сплава в стружку.

Труба

Ракета — это металлическая труба с топливом. В нижнем конце этой трубы стоят ракетные двигатели, в верхнем — полезная нагрузка, скажем, ядерная боеголовка, спутник или космический корабль.

Конечно, если присмотреться, начинаются нюансы. Если свернуть лист бумаги в трубку и склеить шов липкой лентой, такая труба удержит на себе небольшую стопку книг, если правильно распределить их вес. Этот тип конструкции, где обшивка является несущим элементом, в авиации называют монокок. Но стоит этой конструкции чуть-чуть отклониться от идеальной цилиндрической формы, прогнуться, она моментально схлопывается.

Чтобы это предотвратить, нужно или увеличивать толщину листа, или добавить внутрь силовой набор — ребра жесткости, продольные (стрингеры) и поперечные (шпангоуты). Таким образом из монокока вы получите уже полумонокок, очень популярный среди авиаконструкторов. Если подойти близко к любому самолету, вы увидите на его фюзеляже сотни и тысячи заклепок — это они держат обшивку на тех самых стрингерах и шпангоутах.

Корпус «Фау-2» покрыт множеством мелких «ямочек», оставшихся после сварки. / The Smithsonian Institution 

Так же была устроена и самая первая ракета, способная выйти за пределы земной атмосферы — «Фау-2» (с той разницей, что для закрепления стальной обшивки толщиной в 0,6 миллиметра использовались не заклепки, а точечная электродуговая сварка — именно из-за неравномерного остывания металла после сварки обшивка «Фау» покрыта множеством «ямочек»).

«Фау-2» была первой в истории боевой баллистической ракетой, способной нести боевой заряд в тонну взрывчатки (аматола) на расстояние в 300 километров и подниматься к границе космоса, Германия использовала ее во время войны, чтобы обстреливать Лондон. Как оружие она была не слишком эффективна — не очень точная (среднее отклонение от точки прицеливания несколько километров), дорогая, с частыми отказами), но она стала прообразом и советских, и американских боевых и космических ракет.

Обшивка «Фау-2» изнутри / Imperial War Museums

    

Баки «Фау-2» на складе, захваченном британскими войсками / Imperial War Museums

Монококовая «Фау-2» тоже смогла бы взлететь, но ее конечная скорость была бы в полтора раза ниже, а дальность была бы не более 300 километров, а примерно 190, то есть до Лондона из деревни Вассенар в южной Голландии, где стояли пусковые установки, она бы уже не долетела. Не удивительно, что фон Браун решил прибегнуть к испытанным авиационным стрингерам и шпангоутам.

Ракета «Фау-2» в разрезе 

Банка

После войны ракеты фон Брауна попали в руки к советским и американским инженерам. И они почти сразу задались вопросом: зачем в одну емкость (корпус ракеты) вставлять вторую (топливные баки)? Разве нельзя обойтись только одной?

Конечно, можно. Уже в 1949 году Сергей Королев читает в Бауманке курс лекций «Основы проектирования ракет дальнего действия», где описывает вариант ракеты с несущими баками, то есть баками, оболочка которых служит обшивкой корпуса ракеты и принимает на себя нагрузки.

Помимо очевидных преимуществ — снижение массы, упрощение конструкции — это инженерное решение давало возможность увеличить прочность баков за счет наддува. С этим эффектом сталкивается каждый из нас, когда пробовал смять банку газировки.

Смять пустую алюминиевую банку в плоский блин (например, наступив на нее ногой) намного проще, чем полную. Жидкость (и газ, если внутри газировка) давит на банку изнутри, что позволяет ей выдержать уже больше 200 килограммов.

https://youtu.be/YP_UBNwEoGs

Для того, чтобы такая ракета была прочной, с ней поступили точно так же, как с банкой выше: начали наддувать пустое пространство газом. Большая часть ракет, старт которых вы видели, представляют собой такие алюминиевые банки, только очень большие.

Несущие баки и наддув позволили ракетостроителям убрать из ракеты стрингеры и шпангоуты, избавиться от точечной сварки, а вместе с тем тысяч слабых место в обшивке, которая и так была тоньше бумаги.

Но совсем-совсем без силового набора обойтись не удалось. Прочность цилиндра — несущего бака — зависит от совершенства его формы, а сделать идеальный цилиндр высотой десятки метров очень трудно. Поэтому в ракетах оставили поперечный силовой набор — шпангоуты. Это позволило «разбить» один большой бак на множество виртуальных цилиндров поменьше, для каждого из которых масштаб допустимых отклонений был уже больше. Такая оболочка сопротивляется продольному сжатию в 1,6 раз лучше, чем гладкая. Несущие баки со шпангоутами стали основой конструкции главной советской ракеты, Р-7 — и всех ее наследниц, вплоть до современных «Союзов-2».

Бак центрального блока ракеты «Союз»: из силового набора присутствуют только шпангоуты. Шарообразные баки предназначены для газов системы наддува. /РКЦ «Прогресс»

Вафля

Никому не хотелось покрывать тонкие стенки баков отверстиями под заклепки или шрамами от точечной сварки, и инженеры нашли выход: нужно сделать так, чтобы силовой набор составлял одно целое с обшивкой. Иначе говоря, нужно взять лист металла потолще и выфрезеровать в нем стрингеры и шпангоуты. Так в начале 1960-х появилась «вафля».

Типы вафельного подкрепления / Sator

Первой «вафельной» ракетой в СССР стала экспериментальная УР-200, где «вафлю» вытравливали химикатами (потом УР-200 стала основой второй ступени «Протона»). Ту же технологию использовал фон Браун для американских носителей серии «Сатурн», она же украшала изнутри подвесной бак шаттла, и современную SLS для полетов на Луну. Один из типов вафельного подкрепления — треугольный (isogrid) был запатентован в 1964 году и стал почти стандартом: его используют, например, для баков будущей ракеты «Вулкан».

Бак горючего (несимметричный диметилгидразин - НДМГ) первой ступени ракеты УР-200. / Александр Ильин

И это дает существенный выигрыш. Если бы баки первой ступени ракеты-носителя «Зенит» делали из гладкого листа, то при той же прочности она была бы тяжелее на 3,2 тонны, то есть ступень весила бы не 27,6 тонны, а 30,8 тонны — более чем на 10 процентов больше. Причем, это оптимистическая оценка, сделанная в предположении, что конструкция идеальна — в ней нет дефектов, малейших отклонений от идеальной цилиндрической формы, которые, как мы помним, могут привести к потере устойчивости под нагрузкой и схлопыванию всей «банки». Поэтому более реалистичная весовая наценка — 4,4 тонны для первой ступени «Зенита», сделанной из гладкого листа.

Семейство ракет-носителей среднего класса «Зенит». Баки горючего и окислителя этой ракет состоят из цилиндрической обечайки и двух полусферических днищ. Обечайка собрана из из листов, где методом механического фрезерования вырезана «вафля» с толщиной ребра 5 миллиметров, высотой 25, толщиной полотна — 5 миллиметров / Norbert Brügge

Так инженеры нашли практически идеальное решение проблемы — как сделать баки с силовыми набором, но при этом не ослаблять обшивку ни сваркой, ни клепкой: нужно просто сделать силовой набор вместе с обшивкой. Этот метод стал стандартом для большинства тяжелых ракет по всему миру. Но платить за это решение пришлось временем, ресурсами и, разумеется, деньгами.

«Новому космосу» вся эта технологическая красота была не под силу, и они искали другой способ оставить в целости и козла, и капусту — присоединить к обшивке силовой набор, но не потерять в прочности. И нашли.

Как это теперь собрать

Большинство методов сварки предполагает, что вы расплавляете электрической дугой или газовой горелкой края двух металлических деталей, соединяете их, а когда расплавленный металл застывает, две эти детали оказываются единым целым, увы, единство это мнимое, и такой способ соединения не намного лучше традиционной клепки. В толще сварного шва могут остаться микроскопические пузыри, трещины и другие дефекты. Кроме того, расплавленный и застывший металл может стать менее прочным.

Фрезерованный лист для ракетного бака на заводе ULA / Smarter Every Day / YouTube.com

    

Фрезерование листов алюминия на заводе ULA / Smarter Every Day / YouTube.com

    

Готовая обечайка бака на заводе ULA / Smarter Every Day / YouTube.com

В случае, если сварной шов не подвергается большим нагрузкам, этим можно пренебречь, но в ответственных случаях приходится заниматься тщательной проверкой швов: дефекты ищут при помощи рентгена, ультразвука, магнитного порошка и десятков других инструментов. Но даже хорошие швы все равно остаются слабым местом, и их приходится усиливать, увеличивая толщину деталей в месте соединения.

Например, баки ракеты «Ангара» из «вафельных» листов сплава АМг6 сваривают в атмосфере инертного аргона — традиционная электродуговая сварка «на воздухе» не подходит для алюминия, поскольку он быстро окисляется (и может загореться), а оксид алюминия, попавший в шов сильно снижает его прочность. Перед сваркой края листов очищают от тугоплавкой пленки оксида алюминия на станках или металлическими щетками (если в шов попадет оксид алюминия, это сильно снизит его прочность), при этом в зоне шва листы имеют толщину не 5 миллиметров, как по всей площади, а 7,4 миллиметра — для надежности. То есть за прочность шва приходится расплачиваться снижением массы полезной нагрузки.

Срез листа, из которого сваривают баки “Союза-5” (сверху), слева видно утолщение для сварного шва. Внизу - срез листа для внешнего топливного бака для шаттлов

РКЦ «Прогресс»/ NASA

Три главных буквы

Сварка трением с перемешиванием, запатентованная в 1991 году сотрудниками британского Института сварки, решает почти все эти проблемы. Суть технологии состоит в том, что края свариваемых деталей нагреваются от механического трения, но не детали о деталь, как в случае с «обычной» сваркой трением, а специального быстровращающегося тугоплавкого инструмента. Металл в зоне шва нагревается, но не до температуры плавления — в случае с алюминием этого около 550 градусов, то есть 70 процентов от температуры плавления. Материал становится пластичным и перемешивается, образуя практически монолитное соединение — прочность шва в итоге оказывается на уровне примерно 80 процентов от прочности самого листа.

Это значительно лучше традиционной электросварки. Например, если аргоно-дуговая сварка обеспечивает прочность шва в 160-170 мегапаскалей, то шов от СТП на тех же листах дает 250 мегапаскалей (при исходной прочности листа 300 мегапаскалей).

Аэрокосмическая отрасль давно заметила эту технологию: уже в 1999 году стартовала ракета-носитель Delta II, где компания Boeing применила СТП для сварки межбакового переходника, а в 2001 году полетела такая же ракета со сваренными тем же методом баками.

Станок для сварки методом СТП бака ракеты Delta II. Внутри виден традиционный вафельный фон. / А. Я. Ищенко и др., Автоматическая сварка, 2007    

Примерно тогда же СТП в 2001 году — начали использовать для сварки внешнего топливного бака шаттлов, восемь швов в баке для жидкого водорода и четыре — для жидкого кислорода, всего почти 800 метров.

Однако станки для СТП были сложными и громоздкими, и сам этот метод использовали только для сварки самих обечаек. Ситуация начала меняться, когда новый метод сварки посягнул на вездесущую «вафлю», и первым это сделала компания SpaceX.

И снова труба

В ракете Falcon 9, вновь появляются, как во времена «Фау-2», стрингеры и шпангоуты (Falcon 1 вообще летала с гладкими баками). Разница в том, как именно они закреплены на обшивке. В 2009 году, еще до запуска первого Falcon 9 SpaceX рассказывали, что будут использовать СТП, чтобы приварить силовой набор к обшивке, и алюминий-литиевый сплав.

Сегодня уже не приходится сомневаться, что эти технологии работают: Falcon 9 успешно летают и по многу раз — недалек тот день, когда одна из первых ступеней ракеты совершит десятый в своей биографии полет. Много говорят о технологических хитростях Маска, которые позволили ему сделать такую ракету: о переохлажденном топливе, что позволяет увеличить объем горючего на борту, не увеличивая объем баков, говорят о решетчатых рулях, говорят о двигателях, способных к многоразовому включению и дросселированию, но почти никто не говорит о СТП и стрингерах. Хотя именно это небольшое новшество может изменить всю технологическую цепочку производства ракет.

Силовой набор в обечайках бака ракеты Falcon 9 / SpaceX

Как именно — можно увидеть в цехе Центра разработок С7, который сейчас создает ракету легкого класса.

Первоначально они решили избавиться от утомительного и сложного фрезерования «вафли» на обечайках баков с помощью аддитивных технологий — то есть не вырезать, а нарастить перегородки вафельного фона на гладком листе.

Выращенный с помощью 3D-печати вафельный силовой набор - до чистовой фрезерной обработки и после.

    

Сотрудники центра говорят, что это эксперимент был в целом успешным: после фрезерования они получили ровную «вафлю», которая по прочности соответствовала листам, полученным традиционным фрезерованием. «Но на тот момент мы уже начали параллельно заниматься СТП, и подумали, а почему бы не попытаться просто прикрепить силовой набор к обшивке с помощью этого метода», — говорит один из инженеров Центра Илья Якимов.

Если приварить стрингеры и шпангоуты к обшивке с помощью метода сварки трением с перемешиванием — по своей прочности он будет сопоставим с монолитным «вафельным» набором. При этом вся технологическая цепочка умещается в одном маленьком цехе: не нужно заказывать дорогие толстые плиты, не нужно ждать пока они пройдут предварительную обработку на прокатном стане, не нужно фрезерование.

Робот-манипулятор сваривает бак

«Не нужен громоздкий и дорогой станок, нам не нужны заготовки, которые делали по очереди три предприятия, нам не нужно превращать в стружку тонны алюминиевого сплава«, — говорит директор Центра Сергей Снытин.

Он и его коллеги смогли сильно упростить и саму технику СТП — они используют станки собственного производства и роботы-манипуляторы. Роботы дорогие, признает Снытин, но даже так, по его словам, получается дешевле традиционной технологии на порядок.

Прототип бака изнутри / Илья Якимов

Для баков ракеты планируется использовать новый сплав 1580 в отожженном состоянии — экспериментальный магнийсодержащий сплав, который отличается от традиционного АМг6 добавлением 0,1 процента скандия для повышения прочности. В отличие от нагартованного АМг6 его прочность не снижается при нагреве, а значит первую ступень можно потенциально сделать возвращаемой, она выдержит прохождение сквозь атмосферу, не потеряв качества.

Силовой набор, приваренный к обшивке с помощью СТП, будет в баке горючего, в нижней части ракеты, которая испытывает наиболее серьезные нагрузки. Примерная масса цилиндрической части бака — около тысячи килограммов. Если бы он был сделан по традиционной технологии — «вафельным», цилиндрическая часть обечайки весила бы на 150 килограммов больше, а если бы она была просто гладкой — то на 900.

«Плюс-минус несколько сотен килограммов — вроде бы не очень большая разница в массе полезной нагрузки для ракеты среднего класса, но „входной билет“, то есть вложения в производство таких баков ниже чуть ли не сотню раз, если использовать СТП. Нам не нужны огромные портальные фрезерные станки с высокой точностью и потребностью смывать чем-то в процессе работы сотни килограммов стружки, гигантские гибочные станки и кропотливый ручной процесс гибки эти панелей. Нам требуются только небольшие вальцы для тонколистового металла, готовые стрингеры и СТП-станок для их приварки, который мы разработали сами», — говорит Илья Якимов.

Почти готовое днище бака, напечатанное вместе с силовым торцевым шпангоутом / Илья Якимов

Для 3D-печати тоже нашлось дело: с ее помощью «выращивают» днища, которые служат и силовыми шпангоутами баков. Этот метод также позволяет обойтись без дорогих заготовок, долгого фрезерования силового торцевого шпангоута, и без сложной сборки из небольших сегментов торосферического днища.

«Старые» космические корпорации следуют хорошему принципу «не трогай то, что работает», и строят современные ракеты и ракеты ближайшего будущего — SLS, «Вулкан» и «Ангару», пользуясь технологиями, которые доводили до совершенства десятилетиями, и опираясь на сеть из сотен поставщиков и подрядчиков. Новые игроки, космические стартапы, не могут позволить себе этой роскоши и вынужден искать сотни ухищрений. Ни одно из них по отдельности, ни избавление от «вафли», ни многие другие, не станут «серебряной пулей», волшебным средством, которое сделает космос таким же доступным, как межконтинентальные перелеты. Но они постепенно начинают всерьез соперничать с «динозаврами», и мы уже не можем быть уверены, какая ракета полетит к Луне первой — SLS или Falcon Heavy, и кто именно займет место «Зенита».

Сергей Кузнецов