Как работает SpaceShipOne

В прошлом космические путешествия были возможны только при поддержке хорошо финансируемых крупных государственных космических программ. Но создатели SpaceShipOne , первого негосударственного пилотируемого космического корабля, решили это изменить.

Галерея изображений космических исследований  

Корабль уже добился успеха на одном уровне — 4 октября 2004 года он выиграл приз Ansari X Prize в размере 10 миллионов долларов . В конкурсе перед независимыми разработчиками стояла задача дважды за две недели безопасно отправить трех человек в космос на многоразовом космическом корабле.

Однако эта премия не была конечной мотивацией для разработки SpaceShipOne. Создатели космического корабля представляют себе мир, в котором космические путешествия — это процветающий коммерческий бизнес, обслуживающий всех, кто хочет отправиться к звездам .

Хотя это может показаться надуманным, учтите, что исторический одиночный полет Чарльза Линдберга в 1927 году из Нью-Йорка в Париж получил премию Ортейга в размере 25 000 долларов . И именно успешный полет Линдберга положил начало современной авиационной отрасли. Таким образом, через несколько лет, когда космический туризм станет таким же распространенным явлением, как поездка в Мир Диснея, мы можем оглянуться на SpaceShipOne как на предприятие, которое перевернуло страницу в истории.

узнал о SpaceShipOne от Мэтью Джионта , главного инженера построившей его компании Scaled Composites . В этой статье Мэтью рассказывает нам, как работает SpaceShipOne и каково это летать на этом космическом корабле. Мы также рассмотрим детали конструкции, двигательной установки и космической программы, финансируемой из частных источников, которая породила все это.

История сделана!

21 июня 2004 года SpaceShipOne стал первым частным самолетом, вышедшим в космос. Летчик-испытатель Майкл Мелвилл поднял SpaceShipOne на высоту 62,5 мили (100 км) над поверхностью Земли. Полет на эту высоту официально делает Мелвилла космонавтом.

SpaceShipOne и White Knight взлетели в 9:45 EST, а SpaceShipOne был выпущен из White Knight на высоте около 50 000 футов. После нескольких секунд свободного падения Мелвилл запустил гибридный ракетный двигатель SpaceShipOne на 80 секунд, отправив его в космос на три минуты. SpaceShipOne благополучно приземлился чуть более чем через час после взлета.

1. Как работает SpaceShipOne?
2. Какова поездка?
3. Белый рыцарь
4. Космический КорабльОдин
5. Движение
6. Внутри SpaceShipOne
7. Проблемы
8. Первый уровень

Начнем с сути дела: как работает ремесло? Читайте, как Мэтью Джионта шаг за шагом описывает, что будет происходить во время этого исторического полета.

HSW : Итак, как работает SpaceShipOne?

Мэтью Джионта : SpaceShipOne находится под брюхом самолета White Knight , двух самолетов, которые мы разработали здесь с нуля. «Белый рыцарь» — турбовентиляторный самолет .который поднимает SpaceShipOne на высоту от 45 до 50 000 футов, чтобы мы могли начать наш космический полет с относительно высокого положения в атмосфере, где воздух уже довольно разрежен. Мы уже проходим около 85 процентов земной атмосферы, когда опускаемся на 45 000 футов. Воздух на такой высоте очень разрежен, так что это отличное место для старта. Оттуда мы сбрасываем космический корабль с Белого Рыцаря, и он скользит в течение 10 секунд, пока пилот настраивает самолет, готовит его к ракетному пуску, нажимает переключатель, и гибридный ракетный двигатель в SpaceShipOne ускоряется. пилот примерно в два-три раза превышает нормальную силу тяжести. Он ускоряется примерно в два раза быстрее, чем нормальная сила тяжести, и пилот сразу же начинает маневр отвода примерно в вертикальное положение — он идет прямо вверх.

И корабль продолжает разгоняться прямо чуть больше минуты. Мы не разглашаем точные цифры — тогда кто-то может провести обратный инжиниринг.

Итак, мы поднимаемся примерно на одну минуту и ​​сжигаем около 150 000 футов, примерно. В этот момент двигатель перестает гореть, но теперь корабль движется со скоростью более 2000 миль в час, прямо вперед, и поэтому движется по инерции. Оттуда он поднимается еще примерно на 150 000 футов, пока не достигнет апогея [точки, в которой SpaceShipOne находится дальше всего от Земли]. Незадолго до того, как он достигает апогея, пилот щелкает другим переключателем, который приводит в действие некоторые пневматические приводы — он берет хвостовую часть самолета и заднюю половину крыла и как бы [делает их] ... как складной нож, вероятно, так. думать об этом.

Самолет складывается, и это позиционирует корабль или реконфигурирует корабль для повторного входа в атмосферу, который он собирается испытать. Итак, у вас все еще есть это, пока он движется вверх, и поэтому он начинает, и требуется около 15 секунд, чтобы это перо, как мы его назовем, задняя половина корабля поднялась примерно на 65 градусов. И затем он проходит через апогей все время, пока он испытывает довольно близкое к нулевому g — это действительно близкое к нулевому g [невесомость] — от выгорания до апогея.

А потом он начинает падать обратно, и он падает, он падает по той же параболической или баллистической траектории, что и если бы он был просто камнем. Если бы кто-то бросил туда камень, это была бы такая же парабола. Он находится на баллистической траектории и ничего не может с этим поделать. Если корабль начинает падать обратно в атмосферу, набирая скорость, он достигает почти нулевой скорости наверху и набирает все большую и большую скорость. И по мере того, как он начинает падать во все более и более густой воздух, этот складной нож подставляет все свое брюхо, точно так же, как брюхо плюхается прямо на воздушный поток, чтобы получить большую площадь поперечного сечения, которую он пытается прогнать через воздух. замедлить его.

И это замедляет его. Пилот испытывает замедление примерно в 5 или 6 g, когда возвращается в атмосферу. И он спускает его примерно до 50 000 футов или около того, может быть, 60 000 футов, где он щелкает выключателем, чтобы превратить его обратно в обычный самолет с хвостом и следовать за ним там, где он должен быть. И он вырывается из этого маневра и снова начинает летать, как самолет, как планер . В этот момент он планер.

А потом он скользит оттуда еще... примерно 10-15 минут обратно в аэропорт, из которого мы вылетели, здесь, в Мохаве.

В следующем разделе мы спрашиваем Мэтью, каково это летать на SpaceShipOne.

SpaceShipOne предназначен для перевозки пилота и двух пассажиров в суборбитальное пространство . В разговоре с Мэтью Джионта мы спросили, чего пассажир может ожидать от полета на SpaceShipOne.

HSW : Не могли бы вы объяснить нашим читателям, каково это летать на SpaceShipOne?

М. ДЖОНТА : Это самые дикие американские горки , на которых вы когда-либо катались, и я, может быть, украл цитату у моего босса [Берта Рутана], но я думаю, что он дал хорошую характеристику. Если бы я описал ускорение, возрастающее... на вас действует гравитация . есть 1 гускорения, но на самом деле вы двигаетесь вертикально с двумя или более g. Пилот ощущает около 3 g — глазные яблоки, как мы это называем; ваша спина ощущает вес, в три раза превышающий вес всего вашего тела, и, таким образом, происходит довольно сильное ускорение. Когда двигатель выключается, теперь у автомобиля есть сопротивление, но нет тяги, поэтому вы летите вперед в ремнях безопасности, пока они не удержат вас там, в космосе; в противном случае вы бы вылетели через переднее окно и вылетели из передней части корабля. Итак, в этот момент вы пристегнуты ремнями безопасности, и это может быть на 5 или около того секунд, а затем вы как бы падаете на сиденье. И в этот момент g постоянно уменьшается, пока не станет около нуля g, и у вас будет около 4 минут невесомости .когда вы идете по вершине, затем возвращаетесь, и пока вы там, вид захватывающий.

Некоторые из видов Земли, которые вы видели со спутников на низкой околоземной орбите или даже с космического челнока на самых низких высотах, по сути являются точно такими же видами, которые вы видите из окна этого корабля. И у нас на сайте есть впечатляющие кадры ...

... [Итак, у вас] есть несколько минут невесомости, прежде чем вы начнете возвращаться в атмосферу. Это громкое, урчащее, трясущееся, много перегрузок, максимум до шести перегрузок. И в этот момент становится довольно трудно даже оставаться в сознании, но вы можете это сделать, если вы в довольно хорошей форме и тренировались для этого. А потом вы вылетаете из этого как планер, и это просто мирная поездка на планере. У вас есть еще 15 минут или около того, чтобы осмотреть достопримечательности, когда вы вернетесь и поймете, что только что побывали в космосе. Вы заслужили свои крылья космонавта... Это высота, чтобы стать космонавтом.

ХСВ : Вау.

М. ДЖОНТА : Видите, это довольно круто. Мы думаем, что есть много богатых людей, которые были бы готовы заплатить сумму денег, которую, как мы думаем, потребуется, чтобы прокатиться.

HSW : И затем идея, конечно, в конечном счете, состоит в том, чтобы сделать это все более и более рентабельным, пока...

М. ДЖОНТА : Да, кто знает, куда это распространяется? Может быть, это распространяется на орбитальный космический туризм , да? Я думаю, что это логическое развитие. Было бы круто немного отдохнуть в космосе, не так ли?

В следующем разделе мы рассмотрим конструкцию корабля «Белый рыцарь», который помогает SpaceShipOne в его путешествии.

Как мы узнали от Мэтью, SpaceShipOne не может совершить путешествие к звездам в одиночку. Требуется помощь корабля-носителя под названием « Белый рыцарь » . Одна из самых больших затрат и опасностей в космическом путешествии связана с запуском космического корабля с земли. Просто стоимость топлива, необходимого для наземного запуска, невероятна. Чтобы упростить процесс, SpaceShipOne запускается из брюха Белого Рыцаря на высоте около 50 000 футов.

White Knight, дебютировавший в апреле 2003 года, представляет собой высотный исследовательский самолет с двумя турбореактивными двигателями. Его основная задача — служить воздушной платформой для запуска SpaceShipOne в космос.

White Knight взлетает как самолет с обычной взлетно-посадочной полосы, а SpaceShipOne прикреплен к его брюху. Два корабля под управлением Белого Рыцаря летят вместе на заданную высоту. Затем Белый Рыцарь выпускает SpaceShipOne и уходит. Покинув Белого Рыцаря, SpaceShipOne начинает свое путешествие в суборбитальное пространство.

В интересах эффективности White Knight также выполняет вторую, очень важную функцию. White Knight спроектирован с точно такой же кабиной, авионикой, электронной системой управления, пневматикой, триммерными сервоприводами, системой данных и электрической системой, что и SpaceShipOne. Это делает White Knight идеальным для обучения пилотов полетам на SpaceShipOne.

Чтобы добавить реалистичности обучению пилотов SpaceShipOne, White Knight был спроектирован с высокой тяговооруженностью и мощными скоростными тормозами. Эти функции помогают имитировать маневры космического полета.

Как самолет, White Knight сам по себе замечателен. Согласно Scaled Composites, уникальный дизайн White Knight также делает его подходящим для «разведки, наблюдения, исследования атмосферы, передачи данных, телекоммуникаций, визуализации и запуска ракет-носителей для микроспутников».

В следующем разделе мы рассмотрим корабль SpaceShipOne.

Результаты теста

Чтобы просмотреть сводки испытаний White Knight, см . «Сводки летных испытаний White Knight» .

Х-15А

В то время как White Knight — впечатляющий самолет, нет никаких сомнений в том, кто является звездой шоу: SpaceShipOne.

SpaceShipOne описывается Scaled Composites как «трехместная высотная исследовательская ракета, предназначенная для суборбитальных полетов на высоту до 100 км». Возможно, одна из самых удивительных особенностей SpaceShipOne — это то, что во время полета он трансформируется в три разные конфигурации. Эти конфигурации делают SpaceShipOne идеальной для разгона, входа и посадки. (См. предыдущий раздел « Как работает SpaceShipOne?» , где приведены изображения всех трех конфигураций.) Хотя технически это космический корабль, большую часть времени во время полета он проводит в атмосфере Земли. Конфигурация, которая выделяется больше всего, - это конфигурация «перо».

Согласно SpaceShipOne: Поездка на белом рыцаре в космос :

SpaceShipOne запускается вертикально в космос с высоты в атмосфере. Как только он достигает вершины дуги, созданной его ракетным двигателем, он теряет импульс и падает обратно на Землю. Чтобы замедлить спуск, SpaceShipOne трансформируется в конфигурацию, открывающую наибольшую площадь поверхности воздушному потоку. Это создает огромное сопротивление и замедляет падение корабля.

Это лишь верхушка айсберга инноваций, заложенных в SpaceShipOne.

Особенности SpaceShipOne:

В следующем разделе мы обсудим уникальный ракетный двигатель, запускающий SpaceShipOne в космос.

Джионта объясняет:

SpaceShipOne использует то, что Scaled называет гибридным двигателем . Это связано с тем, что двигатель сочетает в себе элементы как твердотопливных, так и жидкостных ракетных двигателей (см. Как работают ракетные двигатели ). Это делает уникальный двигатель, способный разогнать SpaceShipOne до скорости, вдвое превышающей скорость звука. Но топливо, которое он сжигает для этого, еще более интересно.

Все виды ракетного топлива состоят из двух компонентов: топлива и окислителя. Добавляя большое количество тепла к топливу, а затем вводя окислитель, вы получаете устойчивый взрывной результат, который запускает корабль в космос. В твердом ракетном топливе окислитель встроен в топливо; в жидкостной системе два компонента хранятся отдельно на корабле и объединяются во время воспламенения. Проблема с этой последней системой заключается в том, что традиционные виды топлива и окислителей дороги и опасны для хранения. Чтобы сократить как стоимость, так и риск, SpaceShipOne приводится в движение смесью полибутадиена с концевыми гидроксильными группами (резина для шин) и закиси азота (веселящий газ). Каучук действует как топливо, а веселящий газ — как окислитель.

Неотъемлемые свойства веселящего газа помогают сэкономить на проекте еще несколько долларов. Закись азота самонагнетается при комнатной температуре. Это делает ненужным оснащение SpaceShipOne сложной системой насосов и водопровода для соединения окислителя с топливом во время полета.

В следующем разделе мы попадем внутрь SpaceShipOne.

Сравнение

Чтобы дать вам представление о разнице в скорости между SpaceShipOne и White Knight: SpaceShipOne может стартовать в космос, провести там три минуты, резко упасть на землю и дрейфовать на взлетно-посадочную полосу еще до того, как White Knight начнет заход на посадку.

Результаты теста

Чтобы просмотреть журналы испытаний двигателя, см. раздел Наземные испытания ракетного двигателя .

Inside SpaceShipOne is a small cockpit, 60 inches (152 cm) in diameter, that you enter through the nose of the ship. The cockpit is an air-tight pressure vessel. The pressurized cockpit creates a pressure differential between the cockpit and the near vacuum of sub-orbital space. This internal pressure pushing out on the structure of the craft allows the structure to endure the large forces acting on it during reentry.

The cockpit is outfitted with dual seals, and the whole structure is surrounded by a second space-worthy shell. Each of SpaceShipOne's many windows are special double-paned glass, and each pane alone can withstand the pressure and force of flight. This doubling up ensures that if either window were to crack, the passengers would still be safe.

The air inside the cockpit is made breathable by a three-part system. Breathable air is added at a constant rate by oxygen bottles. The exhaled carbon dioxide is removed from the cabin by an absorber system, and humidity is controlled by an additional absorber created to remove water vapor from the air. During the entire flight, the cockpit remains comfortable, cool and dry.

This whole system creates what Scaled calls a "shirt-sleeve environment." Passengers don't need to wear space suits inside SpaceShipOne thanks to the design of its cockpit.

To discuss SpaceShipOne's unique controls, we turn to Chief Engineer Matthew Gionta:

In the next section, we will discuss some of the challenges of creating SpaceShipOne.

Creating a totally new kind of spacecraft from the ground up comes with its own set of challenges. Chief Engineer Gionta delves into some of the hurdles the Scaled team faced when creating SpaceShipOne.

"Lots of technical challenges," Gionta says to sum up the experience. He continues:

The design of a craft capable of traveling at faster than the speed of sound has unique characteristics and requirements. The designers have to pay special attention to performance, aerodynamics, load characteristics, stability and control of a ship that is meant to travel at both sonic and supersonic speeds.

The equipment needed to create and test such a craft isn't exactly an off-the-shelf technology. And that equipment came at no small price. Gionta explains:

In many cases the Scaled team had to create the tools and features needed to make SpaceShipOne work. As an example, Gionta explained how the reinvented reaction control system on SpaceShipOne works:

Additional challenges came in the form of air launching a spaceship:

In the next section, we'll look at the privately funded space program that is producing SpaceShipOne: Tier One.

Talk about challenges...

All of this rocketeering had to have the blessing of the U.S. Federal Government. On April 1, 2004, the Federal Aviation Administration's Office of Commercial Space Transportation issued the first-ever license for a sub-orbital manned rocket flight to Scaled Composites LLC.

Scaled Composites CEO Burt Rutan and Microsoft co-founder Paul G. Allen are spearheading the effort to prove that safe, economical, commercial space travel is possible. This effort has taken shape in the form of the privately funded, fledgling space program known as Tier One.

Rutan is known for many accomplishments in the field of aeronautical engineering. Among them is his design of the aircraft Voyager. Voyager was the first plane to fly around the Earth without refueling. As the team leader, Rutan has committed himself to proving that Tier One is a feasible space program by building a ship that can carry people into sub-orbital space. Allen is committed to providing the funds, resources and support needed to get the job done. Together, the two have become the face of the drive for commercial space travel.

Allen's belief in the project and those working on it is evident:

Рутан и его команда Scaled Composites создают эту космическую программу с нуля. Всего за несколько лет и с участием менее 30 человек программа Tier One разработала одни из самых инновационных проектов в отрасли.

Вот что сказал Берт Рутан об истории и направлении развития Tier One:

Для получения дополнительной информации о SpaceShipOne и других космических кораблях перейдите по ссылкам на следующей странице.

Масштабированные композиты

LLC была основана в 1982 году Бертом Рутаном. Находясь в аэропорту Мохаве в Калифорнии, компания проектирует всевозможные экспериментальные самолеты и ракеты-носители. Tier One — это лишь одна из программ, реализуемых в Scaled.

Резюме: Берт Рутан

• 1965–1972: инженер проекта летных испытаний ВВС США.
• 1972–1974: директор компании Bede Aircraft в Ньютоне, штат Канзас.
• 1974: Основание завода Rutan Aircraft Factory для разработки легких самолетов и технических учебных материалов.
• 1982: Основание ООО «Скейлд композитс».

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок

Список используемой литературы