Філософічні досліди з уявного моделювання конструкцій і технологічних процесів, що були навіяні надлишком вільного часу за місяць до закінчення Карантину
Космонавтика зараз переживає революційний ренесанс, спричинений виходом на арену комерсантів. І, як це завжди трапляється під час подібних організаційно-технічних змін глобального масштабу, переважна більшість усталених поглядів і технологічних рішень минулих епох піддаються радикальному перегляду. Так, взявши собі за мету кардинальне зменшення вартості космічної діяльності, всім відомий Маск зрозумів ключову річ — досягнення тієї мети можливе наразі перш за все через створення багаторазових, максимально підлаштованих під серійне виробництво, транспортних комплексів. І на прикладі сімейств Фальконів, Рапторів та Драконів, продемонстрував, як це працює. Наслідок — чи не кожний гравець в галузі має в розробці (чи хоча б заявляє про наміри мати) системи багаторазового використання. Навіть Рогозін щось там таке мимрив. Але на цьому шляху лідерів чекають не лише лаврові вінки, але і терен неминучих проблем, навіть невдач.
Ви вже згадали нещодавній провал кріогенного тестування прототипу космічного корабля Starship SN3, це добре. Чергового експертного розбору деталей події не буде. Хочу лише звернути увагу на те, що концепція, а отже і конструкція корабля, дійсно докорінно-революційні. Тому його творці змушені шукати революційні відповіді на силу-силенну неординарних питань, що постають перед ними в процесі творення. І їм це вдається! Але інколи поспіх та інерція «перевірених багаторічним досвідом» галузевих методів і підходів, і з ними грає злі жарти.
За словами самого Маска, аварія під час випробування SN3 сталася не через конструктивні дефекти, а через помилку в організації перебігу самого експерименту — заливали у верхній (чомусь) бак безпечний рідкий азот, моделюючи ним заливку небезпечного палива — рідкого метану, та забули, що перший важче другого на чверть. А конструкція корабля і контрнаддув нижнього, порожнього баку, виявилися не готовими до такого, не аж надто надмірного, навантаження. І силос рухнув.
Окремо зауважу: випробування проходили в дуже м’яких умовах. А тепер уявимо собі, що такий ракетний комплекс злітає. На 3-4G. Не 1,25G як сталося через азот. А потім він летить далі і баки порожніють. А зверху ще 100…150 тон вантажу. І знов-таки, не на 1,25Ж йде, а трошки більше. Дуже, дуже ризиковий план, як на мене.
Зараз ударними темпами завершується створення чергового прототипу SN4 і Маск налаштований дуже оптимістично щодо його майбутніх аналогічних випробувань.
Хочу помилятися, але я не повною мірою розділяю цей оптимістичний ентузіазм. Тому що бачу реальну проблему самої конструкції. Вірніше, проблематичність суміщення блискучої ідеї з її сумнівною технічною реалізацією. Ідею поєднання корпусу корабля з місткостями компонентів пального в одному-єдиному елементі і традиційного уявлення, як цю ідею слід втілити в життя.
Інженери Маска вирішили зробити один гігантський силос-бак, розділений діафрагмами на ємності для палива та окиснювача. Для цього вони обрали неіржавіючу сталь товщиною 2 мм. За їх задумом, така сталь зможе відмінно протистояти всім навантаженням космічного польоту, витримувати тисячоградусну спеку проходження атмосфери та лютий холод зріджених газів, — і це добра ідея. А ще, ті самі зріджені компоненти палива, своєю масою, за рахунок гідростатичного тиску, мають «надувати» тонку металеву оболонку, допомагаючи їй тримати форму, і це теж добра ідея. Згадайте, якою міцною виглядає алюмінієва банка пива. Поки те пиво не вип’єш.
Але велетенська металева оболонка, що зібрана з десятків металевих кілець, які утворені зі зварених просто «встик» тонких металевих листів, в польових умовах і чи не «на колінках» — лишає багато питань. Починаючи від надійності багатьох десятків криволінійних зварних швів, загальною довжиною, мабуть під кілометр, і закінчуючи чисто конструктивною вадою (як на мій погляд) — корпус корабля не має ніяких силових елементів, які б забезпечували стійкість і жорсткість всієї конструкції безвідносно до вмісту баків. Якщо не рахувати трьох діафрагм, які розділяють об’єми окиснювача та пального і можуть вважатися шпангоутами, поздовжнє підсилення (стрингери, ребра жорсткості), відсутнє як клас.
Наслідок ми всі бачили. Силос не вибухає і не розривається під час аварії. Він складається на трикутнички, буквально колапсує зверху вниз.
І це лише через незначне відхилення параметрів навантаження за межі номінального коридору. І це на поверхні Землі, в нерухомості. Коли відсутні динамічні навантаження в кілька G. Без вібрацій. Без бокових силових впливів. Без атмосферних турбуленцій.
Впевнений, доволі скоро інженери Маска змушені будуть почати підсилення корпусу космольоту. Причому, скоріш за все, поступово дійдуть до того, що людству вже досить добре і давно відомо. Вони винайдуть силовий набір корпусу звичайного судна…
…або незвичайного, проте дуже схожого за формою судна…
Власне кажучи, вони вже почали рух в цьому напрямку. Подивимось уважно на цю «квіточку», що залишилася від SN3. Зверху ми бачимо красиві гладенькі «пелюстки», що були одночасно і обшивкою, і баком. Жодних підсилюючих елементів на них не помітно.
Нижня частина, моторний відсік, вся поцяткована вертикальними ланцюжками плям від зварних крапочок. Там зсередини наварені металеві профілі, як стрингери в дирижабля що на фото трохи вище. І цей відсік зберігся повністю.
Чи вірно я відтворюю хід думок інженерів Маска, побачимо невдовзі. Вангую: суцільні ребра жорсткості, знизу доверху, з’являться ще до першого серйозного польоту з номінальними параметрами. В крайньому випадку, одразу після нього.
Перш ніж викласти власне бачення раціонального вирішення жмені проблем, нагадаю свою ж сентенцію: інколи поспіх та інерція «перевірених багаторічним досвідом» галузевих методів і підходів, грає злі жарти з творцями докорінно нового.
Варіант оптимального вирішення проблем стійкості і технологічності корпусів ракетної техніки великих діаметрів
Я вважаю, що підсилення корпусу StarShip (і SuperHavy, звісно) можливе без створення класичного силового набору зі шпангоутів, стрингерів, балок, профілів чи навіть силових ферм. Більше того, я вважаю, що культура, а отже швидкість та надійність складання корпусів попутно можуть бути радикально покращені. Покращені настільки, що корпуси виглядатимуть так само красиво, як вони виглядають на рендерах, а не так кустарно і неохайно, як виглядають реальні прототипи SN.
«Але і це ще не все! За ті самі гроші ви отримаєте додатково…»©
Згадали? Посміхнулись? Так от, в якості супутнього бонусу можна отримати левову долю складових елементів корпусу з дуже високим ступенем заводської готовності, що зведе до мінімуму «корекції» під час складання-зварювання, які непозбувні через специфіку людського фактору в люльках підйомників з електродами за пазухою. А самі операції складання-зварювання стануть значно простішими, а отже дадуть надійніший результат.
Мабуть, дехто з вас вже здогадався, куди це я вас веду. Так, я про…
Полігональні корпуси
Якщо хто не в курсі про мою давню палку любов до практичної геометрії, загляньте сюди. Та якщо там я «крутив» гексагональні (шестигранні) призми як транспортні контейнери і одночасно елементи побудови космічних споруд, в царині трансатмосферних ракет мене більше приваблюють правильні дванадцятигранні (додекагональні) рішення.
Так, я вважаю, що корпуси величезних ракет доцільно робити не циліндричної форми, а саме у вигляді багатогранної правильної призми. І корпус, що має в перерізі правильний 12-гранник, мені видається оптимальним рішенням. Тому що:
- Об’єм дванадцятигранної призми дуже мало відрізняється від циліндру тих самих габаритів. Наприклад, аби отримати такий самий об’єм, який має циліндр 9 метрів у діаметрі і 30 метрів заввишки, нам знадобиться 12-гранна призма з максимальним перетином ті самі 9 метрів, і висотою лише на метр з кепкою більше (а точніше — 31,415м). Для гексагональної призми ця висота складатиме вже 36,276м, і це відчутна різниця.
- В 12-гранник дуже добре «вписується» як існуюча моторна група SS, так і милі моєму серцю контейнери-гексагони. Причому, для сполучення частини згаданих складових в одне ціле потрібні будуть не складні криволінійні пластини сталі, а прості рівнобедрені трикутнички. Це напряму стосується і внутрішніх діафрагм, що розділяють компоненти пального і одночасно є силовими шпангоутами
- Розміри сталевих листів (2,5х30м), з яких формується 12-гранний корпус ракети є зручними в поводженні і підпадають під стандартний габаритний ряд практично всіх виробників неіржавіючої сталі
Але який виграш дадуть полігональні корпуси?
Чи варта чогось взагалі та морока, адже хлопці вже призвичаїлись зварювати кільця, хай би й далі собі варили? Спробую згадати всі «плюси», а ви підкажіть мені реальні «мінуси», бо я їх поки не бачу. Можливо з чисто психологічних причин.
- Індустрія випускає сталь прямокутними пластинами (полосами), а отже їх значно легше просто скласти під потрібним кутом і зварити одним прямим лінійним швом, аніж спочатку варити кільце з дуже малими допусками по діаметру, а потім ці кільця дуже точно позиціонувати за допомогою підвісу і «встик» зварювати одне з одним, бігаючи довкола корпусу.
- У випадку 12-гранного корпусу, вертикальні грані сходитимуться під кутом 150 градусів. Таким чином корпус отримує 12 ребер, які є ребрами жорсткості. Я не робив розрахунків, на скільки такий корпус стане більш стійким до вертикального зминання і скручування, але значне підвищення структурної міцності для мене виглядає відчутним і аксіоматичним. Якщо хочете, обрахуйте. Я — ледаще. Цілком можливо, якби SN3 мав би такий профіль корпусу, зараз вже щосили ганяли би Рапторів під ним. А може вже й полетів би цей прототип у випробувальний політ
- Внутрішні діафрагми-шпангоути також можуть зварюватися прямолінійними швами з простих пласких геометричних фігур, які в купі повторюватимуть полігональний перетин корпусу. І до корпусу їх можна буде кріпити прямолінійними швами
На цьому можна було би завершити виклад ідеї…
«…але і це ще не все!»
Дієвість ребер жорсткості можна значно підвищити, якщо панелі обшивки не просто зварити «встик», а перетворити зону сполучення сусідніх граней на суцільний силовий профіль, своєрідний «тавр». Досягти цього ефекту можна, якщо перед збиранням краї полос підігнути на всю довжину «всередину» на 30…100мм з кожного боку під кутом 105 градусів. Аби полоса сталі нагадувала в перетині корито, або літеру П з підкошеними всередину ніжками.
Краще за все, замовити цю формовку постачальнику металу або металісту-субпідряднику. Попутно попросивши насвердлити отворів в тих відігнутих «поличках». Достатньо через кожний метр. А можна і густіше, то не принципово. Ці отвори дуже згодяться на початку збирання корпусу. Адже можна буде нашвидкуруч зафіксувати панелі одна з одною звичайними болтиками, до замикання всієї оболонки в єдине ціле.
Потім залишиться тільки пройтись зварювальним швом по кожному стику, як зовні, так і з середини. Зафіксованому стику. Чітко прямолінійному стику. Стику, що вже має ззовні V-подібну направляючу для електрода. Не робота, а прямо розвага якась на свіжому повітрі!
Таким чином корпус отримає підсилення зіставним «тавром», який на малюнку показаний червоним і синім кольором.
Якщо насвердлити отворів під болти із запасом, це не лише зменшить загальну масу конструкції (дуже мало), але і дозволить використати всередині корпусу струни-розтяжки, як це робили і в дирижаблях. Це дозволить ще більше підвищити опір оболонки внутрішньому тиску від рідин чи газів. А в підсумку, можливо, зменшити товщину потрібного сталевого листа. Треба рахувати.
І ще один очевидний позитивний момент. Прийняття подібної конструктивно-технологічної схеми найкращим чином підходить для організації дійсно масового серійного виробництва армади ракет. Бо всі складові найпростіші, конструкція з’єднань самоцентрована, жодна з операцій складання не потребує висококваліфікованих (а отже дорогих) гуру-пролетарів. В принципі, таке комфортне і просте зварювання взагалі можна роботу доручити.
Цікаво, чи піде конструкторська думка SpaceX в змальовані поля, чи так і варитимуть кільця, посилюючи корпус на всю висоту накладними стрингерами?
P.S.
Ідею Гексагонів я пробував закинути у твіттери самого Маска і SpaceX. Але ви самі бачили, що там за ґвалт стадіону в них постійно коїться. Якщо вважаєте, що ці роздуми можуть становити інтерес для діла, підкажіть варіанти, куди їм закинути інформацію і в якому вигляді. Дуже вже мені хочеться, аби в них скоріше і найкращим чином все склалося.
«Шоб віздє порядок був, а не то шо січас»©
P.P.S.
Для тих хто захоче розважитись на карантині і самотужки зайнятися порівняльними дослідженням особливостей поведінки і смерті циркулярного та полігонального(12) варіантів корпусу космічного корабля, зробив розгортки елементів. Їх слід роздрукувати на звичайному папері, вирізати детальки, позгинати де що треба і склеїти.