Европа извън Земята

В неделя, 4:03 по Гринуич, се случи нещо много интересно. Повечето по-любопитни го чуха, но надали много му обърнаха внимание. А си струваше.

Става дума за изстрелването на европейския автоматичен товарен космически кораб – ATV. Преминало без кой знае какъв безумен шум, то е ключов момент в европейската космическа програма. И тъй като уж вече година и нещо сме европейци, може да си струва да поразкажа малко по-подробно за него.

Да се разкаже интересното за ATV е огромна задача. Ще я разбия на няколко записа, които ще пускам когато имам време.

Ето го и първият – за носителя на системата. Описанието съдържа доста данни, но съм се стремял да икономисам най-големите подробности, и да го направя що-годе популярно.

Ариане-5

Всеки космически кораб се изстрелва на орбита чрез определен носител (понякога е интегриран с носителя – такава е космическата совалка). Носителят на ATV се нарича Ariane-5 ES ATV, и представлява специално модифицирана версия на европейската ракета Ariane-5.

Ariane е популярното име на серия ракети, създадени и използвани от Европейската космическа агенция (ESA). Биват използвани основно за научни и комерсиални цели (платено извеждане на спътници); Ариане-5 е използвана досега почти само за комерсиални цели.

Разработва се и се експлоатира комерсиално от компанията Арианеспейс, собственици на която са CNES, EADS и още 22 компании, предимно европейски. Самите ракети се произвеждат от SNECMA, френска компания, която произвежда също самолети.

История

След доста успешната Ариане-4, Европейската космическа агенция (и по-точно Френската космическа агенция – така или иначе, французите дирижират тук оркестъра) си поставя задачата да създаде мощна ракета за извеждане на орбита на сравнително тежки спътници, и евентуално модули за космическа станция.

Отначало известно време французите са се опитвали полу-тайно и полулегално да закупят от руснаците доказалата своята надеждност система “Протон”, с която са извеждани станцията “Мир” и тежките съветски спътници. Доколкото зная, са били обсъждани суми от порядъка на 20 милиарда тогавашни долара (в днешни това е поне два пъти повече). В крайна сметка обаче преговорите се провалили, и се наложило ЕКА да се заеме с разработването на собствена ракета-носител.

Първото изстрелване на Ариане 5, на 4 юни 1996 г., е неуспешно. Успява чак второто, на 30 октомври 1997 г. Последващите изстрелвания на Ариане-5 също не са от най-успешните. От първите 14 четири завършват с провал. Това срива доверието на клиентите, и през 2002 г. изправя Арианеспейс пред финансова катастрофа.

ЕС взема спешни мерки и създава специален оздравителен фонд. По мои наблюдения, такива фондове най-често са пари на вятъра – но Арианеспейс се оказва изключение. Дизайнът на ракетата и всички процедури по строежа и използването й са буквално прекарани през сито, при строги изисквания за качество. Оттогава до извеждането в орбита на ATV Ариане-5 има 22 изстрелвания, всичките завършили щастливо. (Някои от изстреляните спътници дават дефекти, но това не се дължи на носителя.) Успехите връщат доверието в Ариане-5, и към момента тя извежда в орбита 2/3 от всички комерсиални спътници.

Технически детайли

Докато Ариане-2, 3 и 4 са еволюционни подобрения на Ариане-1, Ариане-5 е на практика дизайнирана изцяло наново. Използвана е хибридна дву/тристепенна схема (съществуват различни дефиниции дали втората степен, която работи едновременно с първата, не трябва всъщност да бъде смятана за част от първата; за удобство на описанието тук ги водя като отделни първа и втора степен).

Първата степен дава тласък около 1100 тона, или около 92% от общия тласък на ракетата. Състои се от двата странични блока. Всеки от тях е дълъг 31 и широк 3 метра. Теглото им празни е по 37 тона, и побират по около 238 тона твърд пропелант.

Всеки блок се състои от стоманена рамка, която обхваща и съединява 3 сегмента, всеки със стени, дебели по 8 мм. Най-горният побира 23.5 тона пропелант, и бива зареждан в Колеферо, Италия, и превозван после до космодрума. Другите два се пълнят с пропелант в заводите на космодрума; средният побира 107.5 тона, долният – 107 тона.

В долния край на блока е соплото, дълго 3.8 и широко 3.1 метра. Актуатори могат да го завъртат на до 7.3 градуса във всяка посока, за да управляват ракетата. (Обикновено актуаторното завъртане се използва при течногоривните двигатели, при твърдогоривните се предпочитат газови кормила, въпреки по-лошите параметри – но очевидно инженерите са успели да решат проблема.)

Пропелантът за първата степен е: алуминиев прах за гориво, амониев перхлорат за окислител и полибутадиен за свързващо вещество и катализатор. (Подозирам, че за по-добра катализа добавят и малко желязо, но никъде не го пише.) Произвежда го френско-италианската фирма Регулус, в заводи на територията на космодрума.

Пропелантът се запалва чрез специално пиротехническо устройство, разположено в горната част на степента. Гори от центъра й към периферията, със скорост около 7.5 мм/сек. (В центъра на степента още при пълненето се оставя празен канал, в който изгорелият пропелант набира скорост към соплото. Специфичният импулс е 262 сек, максималното налягане – 64 бара, мощността – 5400 килонютона (ок. 550 тона).

Втората степен е базирана на централен криогенен блок, висок 30.5 метра, с диаметър 5.4 м. Теглото му празен е 12 тона; зареден с пропелант – 170 тона.

Основата на блока е криогенният резервоар. Изработен е от алуминиева сплав, и се състои от две отделения. Горното има дебелина на стените 4.7 мм, обем 120 куб. м., и побира 133 тона течен кислород. Долното има дебелина на стените 1.3 мм, обем 390 куб. м., и побира 26 тона течен водород. Заради твърде тънките стени резервоарът се поддържа под налягане дори когато е празен – иначе би се смачкал под тежестта си.

В долния край на резервоара има структурен елемент, който го съединява с ракетния двигател. В горния има друг подобен елемент, който носи третата степен и товара на ракетата. На него и продълженията му са захванати и предават тласъка си и двата странични блока на първата степен.

Течният водород и течният кислород за първата степен се произвеждат в заводи, разположени край космодрума в Куру. Транспортирането на вече напълнена степен от Европа би било невъзможно – тя не само е твърде деликатна, и вероятно би била повредена при толкова дълъг превоз, но и ще е невъзможно да се опази през цялото време охладена до температурите, необходими за запазване на пропеланта течен. (И това въобще не са най-големите проблеми…)

Криогенната втора степен има само един двигател – Vulcain. Разработен е и се произвежда от SNECMA Motors, и създаването му е струвало около една четвърт от цената на създаването на цялата ракета. Дълъг е около 3 м., широк 1.76 м., и тежи 1686 кг. Тласъкът му е около 110 тона; специфичният импулс не съм успял да открия никъде, но бих очаквал да е около 430 секунди. Посоката му може да се управлява чрез маслени сервоактуатори, контролирани от компютър. (Любопитен детайл – соплото му се произвежда от фирмата “Волво”.)

Импулсът на втората степен – колко скорост може да набере за единица тегло – е великолепен, а това е ключов параметър за всеки носител. За съжаление обаче е много трудно да се направи двигател, който да има едновременно много висок импулс и много голяма мощност. Мощността (тласъкът) на втората степен е само 110 тона, а това не е достатъчно, за да повдигне 746-тонната ракета. (Дори без първата степен, тя тежи около 170 тона.) Затова е добавена първата степен: тя работи малко над 2 минути, но за това време втората степен се изпразва и олеква достатъчно (и курсът й се променя от вертикален към близък до хоризонтален), за да може вече двигателят й да продължи да я ускорява.

Докато първите две степени служат, за да изведат товара си в орбита, третата степен го стабилизира там, и евентуално го издига на по-висока орбита. Размерът й е 3.35 м. височина, ширината – от 3.94 м. в основата до 2.62 м. на върха. Състои се от две двойки резервоари за пропелант, ракетен двигател (заедно с управляващите го актуатори) и поддържаща структура. Тежи 1275 кг. без гориво, и около 11 тона заредена.

Използването при обикновени мисии за извеждане на комуникационни спътници на геостационарна орбита гориво е монометилхидразин (ММХ) – общо 3.2 тона. За окислител се използва двуазотен четириокис (6.6 тона). (И двете съставки са изключително гадни и отровни, но са чудесни като пропелант, особено извън атмосферата. Предимството им е, че се самозапалват при смесване, и горят много стабилно – двигателят се включва просто чрез отваряне първо на клапата на окислителя, и след това тази на хидразина; гаси се по същата процедура, по обратен ред. Това ги прави много подходящи за използване в двигатели, които трябва да се включват и изключват многократно, при фин контрол върху работата им. Руската “Протон” работи изцяло на двуазотен четириокис и АДМХ – асиметричен диметилхидразин, братовчед на ММХ; това много стабилизира двигателите й, но взриви ли се в атмосферата, не дай боже пък да падне някъде невзривена, си имаме местна екологична катастрофа.) Възможно е използването и на други сходни горива.

Двигателят на третата степен е известен като Aestus. Прикрепен е към поддържащата структура чрез топкова става, и два електрически актуатора могат да го завъртат на до 16 градуса. Теглото му е 116 кг, мощността във вакуум – 2.7 тона.

Третата степен се сглобява нацяло и зарежда с гориво още в Европа, и се доставя в Куру готова за монтиране.

“Мозъкът” на ракетата е т.нар. Vehicle Equipment Bay – съоръжение с формата на кош, поставено върху криогенната втора степен. Ширината му е 5.4 м., височината – 1.56 м., теглото – 1300 кг (без пропеланта, който е споменат по-долу). Вътре в него е третата степен, а върху него се разполага полезният товар. То съдържа управлението на всички системи на Ариане-5 – компютри, акселерометри, жироскопи, телеметрия, друга електроника… Абсолютно всички негови системи, от компютрите до антената за външна връзка, са дублирани. Друг негов важен елемент е системата за насочване на ракетата – две тройки неголеми, странично насочени ракетни двигатели, захранвани от два 38-литрови резервоара със 70 кг. хидразин. Тази система допълва управлението на ракетата, което се извършва чрез насочване на двигателите на степените.

Предпазителят на товара е “капак”, който покрива извеждания товар отгоре и отстрани по време на набирането на скорост в земната атмосфера, за да го защити от механични и температурни повреди. (Някога е съдържал и звукоизолация, но е било преценено, че тя не е особено нужна.) Направен е от покрити с въглерод алуминиеви панели със структура, подобна на пчелна пита, с променлива дебелина. Има приблизително конична форма, и се състои от два полу-конуса, свързани с вертикален шев. Теглото му е около 2 тона.

На височина около 100 км, когато значимата част от атмосферата вече е преодоляна, но ракетата все още има да набира скорост, и всеки грам излишно тегло пречи, пиротехническо устройство взривява връзката между полу-конусите, и те се разделят странично и откачат от ракетата.

Под предпазителя на товара се намира поддържащата товара структура. (Ариане-5 е предвидена да извежда по 2 спътника на изстрелване, така че е нужен някакъв “скелет”, който да ги крепи надеждно, и предпазва от притискане един в друг.) Към момента се използват две нейни версии – Speltra и Sylda 5. Естествено, при изстрелването на ATV те не се използват.

Цикълът на изстрелване

Пълната продължителност на цикъла, от изстрелване до изстрелване, по работни спецификации е 25 дни – толкова отнема сглобяването и подготвянето на поредната ракета, изкарването й на площадката, изстрелването й и последващата профилактика. На практика досега и най-малкият известен ми интервал между 2 изстрелвания е бил над месец. Заедно с несмогването на наплива от комерсиални спътници за изстрелване това ме кара да мисля, че може би цикълът всъщност е по-дълъг. 🙂

Ракетата се сглобява във вертикално положение в сграда на космодрума, върху специална платформа. Твърдогоривните ускорители и третата степен са напълно заредени, но втората не е. След като бъде напълно сглобена, платформата я извежда по релси на площадката за изстрелване. Там бива заредена втората степен, и се извършва изстрелването. Последователността му (поне на най-интересното от него) е следната:

Първата от необратимите стъпки е запалването на двигателя Vulcain чрез три пиротехнически устройства. (Само неговата мощност не е достатъчна, за да повдигне ракетата.) 6 секунди след стабилизирането на работата му биват запалени твърдогоривните ускорители, и ракетата излита.

Около 132 сек. след изстрелването пиротехнически устройства отстрелват твърдогоривните ускорители от ракетата, и неголеми ракети ги отдалечават от нея. След още около 100 км полет те падат в Атлантика, на около 450 км от космодрума. Ако товарът на ракетата не е твърде голям, може да бъдат снабдени с парашути, и да бъдат извадени от морето. Повторно използване не е допустимо, но може да бъдат изучавани с цел проверка дали са работили както трябва.

Двигателят на втората степен продължава да работи. Около 560 секунди след запалването му той бива изключен, и втората степен се отделя, пак с помощта на пиротехника, на височина около 145 км. След балистичен полет тя навлиза отново в атмосферата. По-голямата част от нея изгаря, а остатъците падат в необитаем район на Тихия океан, на около 2000 км. от брега на Южна Америка.

Идва редът на третата степен. При стандартните мисии тя работи малко над 1000 секунди, и издига товара си – комерсиалните спътници – на орбита, близка до геостационарната. Задължението да циркуларизират и стабилизират орбитата си и да заемат полагащите им се геостационарни слотове си е тяхно. Отделилата се от тях трета степен, чиято орбита е елиптична, при връщането си към перигей навлиза в земната атмосфера и изгаря. (Предполагам, че не без известно управление къде точно да навлезе и изгори.)

Максималното ускорение, което развива ракетата, е 20 м/сек, което означава максимално натоварване от 3 G. То е малко по-високо от това на щатската космическа совалка, но не чак толкова, че да е реален проблем при изстрелването на спътници. (А впоследствие, надявам се един ден, и на хора.)

Вариантите на ракетата

Описаните дотук данни важат за Ariane-5 Generic, основната версия на ракетата. Нейната височина е 46 до 52 м. (в зависимост от товара), диаметърът – 5.4 м (до 11.4 заедно със страничните ускорители), стартовото тегло – 746 тона, и е способна да извежда до 6 тона на геостационарна орбита. Изстрелвана е общо 16 пъти от 1996 до 2003 г. (последният път – с три спътника).

На нейна база е създадена, с минимални подобрения, Ariane-5 Generic Plus. Трите й изстрелвания през 2004 г. минават успешно.

Следващата версия на ракетата се нарича Ariane-5 ECA, и към момента е основно използваната версия. Ориентирана към по-тежки спътници, тя има 780 тона стартово тегло, и е способна да изведе до 9.6 тона на геостационарна орбита. Първата й степен носи 5 тона твърдо гориво повече, и дава 100 тона повече тласък през първите 20 секунди след изстрелването. Втората степен е снабдена с подобрена версия на Vulcain, наречена Vulcain-2, която има до 137 тона мощност; капацитетът й за течен кислород е увеличен с 20 тона. Работи малко по-кратко – около 540 сек. – но достига по-голяма височина, между 160 и 210 км. Основната заслуга за увеличената товароподемност е нейна.

Ariane-5 GS е наследник на Ariane-5 Generic Plus, последната от тази линия. Изстреляна е успешно на 11 август 2005 г., но май не се очаква да бъде използвана отново. Ariane-5 ECA определено се е доказала като по-добрият модел.

И най-сетне стигаме до Ariane-5 ES ATV – версията, създадена, за да изстреля ATV. Тя е базирана основно на ECA, и отчасти на Generic Plus.

Базовите Ariane-5 не биха могли да се справят с тази задача. Ariane-5 ECA има достатъчна мощност, за да изведе 21-тонния ATV в ниска околоземна орбита, но не е достатъчно здрава механично, за да издържи теглото му на върха си. Затова структурата й е била допълнително подсилена, особено VEB-а.

Друга голяма разлика е в траекторията на полета. Докато за геостационарни спътници се изисква екваториална траектория, ATV трябва да бъде изведен на траектория с наклон 51.4 градуса спрямо екватора, за да може да се скачи с МКС. Това допълнително повишава изискванията към мощността на ракетата. Не съм срещнал да го пише изрично, но мисля, че се е наложила известна преработка и на третата степен – подобряване на издръжливостта й на многократно запалване.

Третата степен също така работи в съвсем различен режим. След като първите две се отделят, двигателят й се запалва както обикновено, но скоро след това бива угасен: целта е да доускори още малко нещата, но не чак като за геостационарна орбита. 🙂 Комплексът от ATV, VEB и третата степен лети 45 минути по балистична крива, достигайки височина около 260 км., след което степента бива запалена отново, за да циркуларизира орбитата – без това ATV отново би навлязъл в атмосферата, и би изгорял. След това третата степен отново угасва, ATV се отделя (още малко пиротехника), и след раздалечаване на безопасно разстояние двигателят на третата степен бива запален за последен път – за да бъде тя насочена да изгори в земната атмосфера.

… Уффф. Издържа ли някой да чете дотук? Ако да, съм сериозно впечатлен. Имало още хора, които се интересували от Космоса. Може пък българската любознателност и ум да са живи още. 🙂

А за самия ATV ще разкажа повече в още записи (вероятно повече от един, за да не стават чак толкова дълги).