Как и зачем S7 создает собственную ракету
Несколько месяцев назад стало известно, что в группе компаний S7 уже два года работает «Центр разработок С7» или S7 R&D. Эта компания занимается разработкой легкой ракеты, а в перспективе и средней, для запусков с «Морского старта» или наземных площадок.
«Центр разработок С7» располагается на пути из Москвы в аэропорт Домодедово. Будущее предприятие занимает несколько цехов, где планируется производство ракет. Пока эти цеха полупустые, но сейчас идет активное освоение технологий, которые должны значительно упростить и удешевить производство ракет.
Работа с манипулятором Kuka в S7 R&D. Фото автораВ традиционной космонавтике не принято начинать создание ракеты от технологии. Обычно начинают с техзадания, и точной формулировки задачи, а уже исходя из неё определяют решение. Сначала готовится аванпроект, потом эскизный проект и конструкторская документация, рассчитывается и чертится всё до последнего винтика, а уже потом переходят к натурным макетам, испытаниям и запускам.
У S7 R&D тоже есть техзадание, но, судя по всему, сформулировано оно достаточно общо: сделать ракету с нагрузкой до полутора тонн, которая подойдет для пусков с «Морского старта».
Схема ракеты от S7 R&D на стартовом столе «Морского старта». Фото автораА вот в технической реализации тоже решили пойти другим путем.
Во-первых, совершенно не заморачиваются разработкой ракетного двигателя. И, на мой взгляд, это решение совершенно верное. Не потому, что ракетные двигатели устарели и пора переходить на антигравитацию, а потому, что у нас в стране и так производятся двигатели на любой взыскательный вкус. В частности, под техзадание S7 прекрасно подходит ещё «королёвский» РД-108, который сейчас летает на второй ступени ракеты «Союз-2».
Двигатель РД-108 на ракете «Союз-2.1а». Фото: Роскосмос/GK LaunchВо-вторых, создание ракеты «Центр разработок С7» начинает с технологий. Чтобы создавать ракету с наименьшими затратами, на небольшой производственной площадке и конкурентоспособную на мировом рынке, традиционные «советские» подходы не годятся. Возможности построить гигантский комплекс, размером с небольшой город, у S7 нет, поэтому разработчики ищут более компактные и экономичные решения.
По сути, сейчас осваиваются две ключевые технологии для производства корпуса и баков ракеты: сварка трением с перемешиванием (СТП) и проволочно-дуговое выращивание.
Про космическую сварку трением я слышал ещё в школе, но представлял себе это в виде двух металлических деталей, которые трутся друг о друга и сплавляются от нагрева. Оказалось, что немного сложнее, но внешне это выглядит как магия: никаких вспышек, искр или летящих осколков. К двум листам прижимается металлический конус, он начинает вращение и трением превращает металл вокруг себя в мягкий «пластилин», который и перемешивается.
Принцип работы сварки трением с перемешиванием. Анимация NASAЕсли всё сделано правильно, то остается только гладкий красивый шов, который по прочности лишь незначительно уступает окружающему металлу.
Шов после сварки трением с перемешиванием на пробном изделии S7 R&D. Фото автораПрочность шва, и отсутствие сильного температурного воздействия на металл делают СТП лучше привычной электродуговой сварки. Высокая температура электрической дуги преобразует структуру металла, и он меняет свойства вокруг сварного шва.
Сварка трением с перемешиванием в космонавтике не новость. Так варили топливные баки шаттлов в последнее десятилетие программы, так варят баки «Ангары», так варят центральную ступень будущей сверхтяжелой ракеты SLS и корпус лунного корабля Orion. Но для этих целей применяют гигантские и дорогие станки, размером с дом, которые ничего другого не умеют.
Оборудование для сарки трением с перемешиванием компонентов лунной программы США (для понимания масштаба — в центре рабочий стол с шестью мониторами). Иллюстрация. NASAS7 R&D идет дальше по пути прогресса, и доверяет СТП роботу Kuka. Таких в компании два, их даже по спецзаказу покрасили в фирменный цвет S7.
Роботы Kuka S7 R&D. Фото автораKuka это не дань моде на робототехнику, а средство, которое позволяет выполнять сварочную операцию намного дешевле и экономичнее чем специализированный станок. Но и это не главное. Важная особенность робота в том, что он может выполнять разные операции, и для разработчиков это важно, т.к. они применяют СТП не только для сварки швов.
Если присмотреться ко внутренней части ракетных топливных баков, хоть на американской SLS, хоть на российской «Ангаре», то можно увидеть характерную «вафлю» — структуру корпуса баков напоминающую известный кулинарный продукт.
Вафельная структура стенок топливных баков ракеты «Ангара». Кадр телеканала «Звезда»Такое решение неслучайно выбрано ракетчиками по обе стороны океана. Термин «топливный бак» создает впечатление, что ракета состоит из привычных нам баков, т.е. тонкостенных емкостей, которые только и нужны для хранения жидкостей. Но ракета не просто стоит где-то в углу, она должна лететь причем с ускорением, то есть на всю её конструкцию действуют трехкратные перегрузки, аэродинамический напор и температурный градиент в сотни градусов… В общем бак должен не просто устоять вертикально, но и не схлопнуться между толкающим двигателем и сопротивляющимся воздухом. А ещё ракете надо полезную нагрузку нести, т.е. быть как можно легче, а тяжести поднимать больше.
Для этого конструкторы и создают «вафельные» панели, которые достаточно легкие, чтобы оставить место для груза, и достаточно прочные, за счет ребер жесткости, чтобы противостоять жизненным невзгодам.
Элемент топливного бака ракеты SLS. Фото NASAДесятилетиями это решение работало, но какой ценой? Чтобы сделать такую «вафлю» нужно взять лист алюминия толщиной в несколько сантиметров и «отсечь всё лишнее». Потом листы свариваются трением в полноценный бак, а завод покидают самосвалы с алюминиевой стружкой…
А потом пришел Илон Маск… Куда уж без него в разговоре о ракетах. Так вот он решил не идти по стопам классиков Возрождения, а подойти к задаче на новом технологическом уровне, сделать ракету легче и дешевле в производстве, как самолет. И вместо алюминиевых плит стал использовать тонкостенные баки, а чтобы его ракеты не расползлись как вареные макароны, изнутри баков навариваются продольные стрингеры и поперечные шпангоуты. Так изготавливают корпуса самолетов, но в них используются заклепки.
Хотя это тоже придумали в СССР. Ракета Н1 имела несущий корпус созданный по самолетной схеме «полумонокок», но и там были заклепки, а варились только сферические баки.
Макет ракеты Н-1 в «Центре космонавтика и авиация» (бывший павильон «Космос») на ВДНХ в Москве. Фото автораУ Маска же стрингеры «натираются», потому что скрепить два тонких листа металла с помощью сварки трением с перемешиванием можно не только в стыке, но и наложив друг на друга.
Внутренности топливного бака Falcon 9. Фото SpaceXТак SpaceX получила сразу несколько преимуществ. Прежде всего повысилась эффективность ракеты до 4,1%. Именно столько от массы полностью снаряженной ракеты может вывести на низкую орбиту Falcon 9. Для примера эффективность конкурирующих Atlas V — 2,9–3,5%, «Протона-М» — 3,4%, и «Ангары-А5» — 3,16%. А ведь на них, напомню, на всех стоит российская гордость — ракетные двигатели закрытого цикла, превосходящие по тяге Merlin SpaceX. Эффективность Falcon 9 так высока в сравнении с конкурентами, что некоторые российские эксперты всерьез подозревают Маска во введении в заблуждение широкую общественность.
Благодаря авиационному решению, ракету Falcon 9 оказалось можно масштабировать просто вытягивая ввысь. А ещё её можно укладывать горизонтально, что тоже не характерно для американского ракетостроения. Это упрощает предстартовую подготовку и логистику — теперь для перевозки ракеты достаточно автомобильного тягача.
Транспортировка первой ступени Falcon 9 по дорогам общего пользования. Съемка NASASpaceflight.comВ S7 R&D решили воспользоваться лучшим мировым опытом: двигатели взять отечественные, а конструкцию баков и технологию — самую современную. И сейчас активно осваивают процесс.
Элемент пробной конструкции тонкостенного бака со стрингерами S7 R&D. Фото автораРакеты состоят не только из цилиндрических баков и двигателей. Внутри корпуса располагаются поперечные ребра жесткости — шпангоуты; на кронштейнах крепится вспомогательное оборудование; межбаковые фермы разделяют ракетные ступени… Традиционно, все эти элементы конструкции вытачиваются из алюминиевых заготовок. Но в S7 R&D и тут заходят с другой стороны.
Выращивание силового шпангоута и торосферического участка топливного бака в S7 R&D. Фото автораТехнология проволочно-дугового выращивания позволяет создавать изделия заданной формы при помощи проволоки, которой наваривается нужное изделие. Это обеспечивает заметную экономию материалов и трудозатрат в производственных процессах, причем использование промышленных роботов Yaskawa дает возможность выращивать изделия с габаритными размерами в несколько метров. Процесс выращивания начинается с CAD модели и практически полностью автоматизирован.
Облако плазмы вокруг электрической дуги в процессе проволочно-дугового выращивания в S7 R&D. Фото автораПоверхность «выращенных» изделий требует доработки фрезой, но эта работа значительно проще чем выточка из болванки. Прочность такой конструкции не уступает традиционному литью и последующей фрезеровке.
В цеху S7 R&D можно увидеть немало изделий различной формы и размера, созданные такой технологией. Ради эксперимента сделали даже классическую «вафлю», но убедились, что классика уже хороша сама по себе, хоть и не нужна для будущей салатовой ракеты.
Пробные детали, выращенные в S7 R&D, после обработки фрезой. Фото автораЗато многое другое нужно, например силовой шпангоут с торосферическим участком крышки бака. Их выращивание происходило прямо во время моего посещения предприятия, поэтому удалось заснять весь процесс.
Процесс проволочно-дугового выращивания крупным планом в S7 R&D. Фото автораРабочая зона станка отгорожена плотной темной пластиковой завесой, для защиты людей от яркого света и ультрафиолетового излучения.
Силовой шпангоут топливного бака в S7 R&D. Фото автораПроцесс выращивания не быстрый, но зато на одной площадке происходит превращение мотка проволоки в заготовку, требующую только незначительной доработки фрезой. Для чистовой обработки крупногабаритных деталей используется промышленный робот KUKA для небольших деталей — трехкоординатный станок.
Рабочие процессы на фрезерном станке в S7 R&D. Фото автораСейчас в S7 R&D работают в основном технологи и материаловеды, поэтому и подход к созданию ракеты нестандартный. Но компания растет и ощущает потребность в конструкторах, ракетчиках, двигателистах, баллистиках, и всех, кто необходим для создания полноценной космической ракеты.
Например, уже сейчас на подручных средствах начинается отработка программы управления вектором тяги двигателя, как элемента системы управления. Пока это просто макет, подвешенный на пластиковых стяжках, но для отработки алгоритмов пока и этого достаточно. То есть, в перспективе, компания рассматривает возможность создания своего ракетного двигателя или целой серии.
А в идеале, когда-нибудь должно получиться примерно так:
Пожалуй, самое необычное для частной компании, это отсутствие какого-либо интереса к рыночным перспективам легкой ракеты. Фактически, компания делает продукт, но не прилагает усилия к поиску его потребителей. И, на мой взгляд, тому можно найти объяснение. Скорее всего, ракета легкого класса, какой бы эффективной или многоразовой она ни была, не окупится в пусках с «Морского старта». Стоимость обслуживания космодрома, созданного для ракеты почти тяжелого класса, перевесит все выгоды легких ракет. Компании S7 нужна ракета аналогичная «Зениту» или Falcon 9, т.е. среднего или тяжелого класса.
Для чего же тогда эти эксперименты с «легковушками»? А тут всё просто — это школа. Илон Маск начинал с легкой Falcon 1, Джефф Безос — вообще с суборбитальной New Glenn, да, что там, и Советский Союз впервые дострелил до космоса «королёвской» Р-1А… «Морскому старту» нужна большая ракета. Будет ли это «Союз-5» или «Союз-6» от Роскосмоса, или «самодельная» от S7 R&D, главное, чтобы космодром был востребован и совершал как можно больше пусков, а потребность в них точно не отпадет, пока человечество смотрит в небо.
