Архитектура от малого до великого

Чтобы фигура космической конструкции была действительно атлетической, недостаточно снабдить ее нужным количеством крепких «мышц». Следует еще позаботиться о том, чтобы каркас ракеты принял «спортивную» осанку под стать своей мышечной системе. Дело, конечно, не в каких-то эстетических соображениях. Никому еще не пришло в голову готовить космические ракеты к участию в конкурсе красоты. Выбирая для них ту или иную форму, конструктор прежде всего заботится о высокой прочности и малом весе. Порой только искусно подобранным внешним видом тех или иных частей конструкции ему удается примирить весовщиков и прочнистов. В умелых руках форма становится мощным средством борьбы за вес. За примерами далеко ходить не надо, их можно найти даже в обычной технике.

Известно, что если какой-то брус изгибается внешними усилиями, то далеко не весь его материал включается в работу. Выявив и удалив эту неработающую часть, можно значительно облегчить брус, не снижая его прочности. То, что остается, противостоит изгибающим нагрузкам ничуть не хуже, чем первоначальный полновесный четырехгранник. Так появились двутавровые балки, гораздо более легкие, но не менее прочные, чем балки прямоугольного сечения. Лишний, неработающий материал был найден и в стержнях, закручиваемых внешними силами. Оказывается, вовсе не обязательно делать их сплошными: легкая пустотелая трубка выдерживает такое же сильное скручивание, как и литой стержень. Причем круглая труба куда прочнее и жестче, чем квадратная.

Слева изображены так называемые гнутые профили (а), обладающие немалой устойчивостью и жесткостью. Но при большой нагрузке они теряют устойчивость, выпучиваются, изгибаются и закручиваются. При этом прямые углы превращаются в тупые (б). Чтобы повысить выносливость этих элементов, достаточно немного изменить их форму — отогнуть на кромках бортик (в). Справа показана часть оболочки корпуса ракеты, усиленная стрингерами (а) и шпангоутами (б).

Несложное изменение формы иногда резко увеличивает устойчивость и жесткость элементов конструкции. Линейка при сжатии легко изгибается и теряет устойчивость. Но если соединить две линейки в виде уголка, то их устойчивость резко возрастет: стороны уголка взаимно подпирают друг друга. Так появились в конструкциях гнутые профили. Еще большей устойчивости можно добиться, если отогнуть на кромках уголка бортики, сделать отбортовку. Профили с отбортовкой ныне широко распространены в технике.

В космических конструкциях не перечесть различных стержней и балок. Какую экономию веса сулит правильный выбор их формы и строения! Архитекторам малых деталей ракеты есть над чем призадуматься. Взять хотя бы стенки корпуса.

В быту, перевозя с места на место вещи, требующие бережного обращения, мы заботимся о специальной таре с гофрированными или иного рода амортизирующими стенками. Что же говорить о космической ракете, транспортирующей упакованный в нее ценнейший груз — спутник или пилотируемый корабль? Самая простая обшивка — листовая — не всегда оказывается здесь надежной. Не нужно забывать, что стенки корпуса должны противостоять вибрации, вызванной работой ракетных двигателей, а по возможности, и гасить ее. Поэтому в ракетах нередко используют оболочки со сложной внутренней структурой — вафельные, сотовые или слоистые. Порой их усиливают стрингерами и шпангоутами — продольными и поперечными укрепляющими ребрами. Такие стенки, способные заменить целый каркас, становятся как бы наружным скелетом ракеты. Она уподобляется черепахе, вся прочность и жесткость которой в панцире. Только для ракеты прочность и жесткость не единственные решающие условия. Ведь ей предстоит летать, а не ползать, как черепахе, и вес панциря для нее далеко не безразличен. И нужно еще подумать об удобстве крепления других частей конструкции, о метеоритной и радиационной защите. Лишь с учетом всех этих требований выбирается структура стенки.

Различные типы обшивок ракет и космических аппаратов: 1 — листовая; 2 — вафельная; 3 — усиленная стрингерами; 4 — трехслойная с пенопластом в качестве заполнителя; 5 — трехслойная со швеллерными профилями внутри; 6 — трехслойная с заполнителем из гофра; 7 — трехслойная с сотовым заполнителем.

Чем крупнее проектируемая часть конструкции, тем весомее может быть выигрыш за счет ее строения или формы. Вот, например, топливные баки. Они могут быть и сферическими, и цилиндрическими, и коническими, и даже тороидальными, в виде бублика. Форму этих сосудов стремятся выбрать такой, чтобы при той же вместимости они весили как можно меньше. Наилегчайший сосуд при данном объеме — сфера. Кроме того, она лучше других сосудов выдерживает высокое внутреннее давление. А как мы уже знаем, в топливные баки накачивают под давлением газ. Но трудно соединять друг с другом круглые баллоны в многоступенчатой ракете. Ведь нужно укрепить один над другим бак с окислителем и бак с горючим. Тот из них, в котором более холодная жидкость, должен находиться подальше от огнедышащего двигателя.

Проблема осложняется еще и тем, что размеры этих сосудов совершенно различны, поскольку окислителя требуется, как правило, в несколько раз больше, чем горючего. Конструкция, жестко связывающая столь разнокалиберные баки, съедает весь выигрыш в весе, полученный благодаря их сферичности. Поэтому гораздо чаще в космических ракетах устанавливают цилиндрические топливные резервуары, хотя они примерно в 1,3 раза тяжелее. Зато цилиндры удачно вписываются в очертания ракеты, а боковые их поверхности становятся стенками корпуса. Но если форма баков не предписана вытянутыми контурами ракеты, то их делают сферическими или тороидальными.

У тора есть кое-что общее со сферой: он хорошо противостоит распирающему его изнутри давлению. Объясняется это тем, что только два геометрических тела — сфера и тор — не изменяют свою форму, если раздувать их объем. Сколько бы мы ни дули в резиновый шар, он все равно останется шаром, как бы мы ни накачивали автомобильную камеру, она так и останется «бубликом». Любая другая форма — конус, цилиндр, эллипс — неизбежно искажается, деформируется при внутреннем наддуве. Поэтому с точки зрения механической прочности тороидальный бак так же выгоден, как и сферический. Но поверхность тора больше, чем поверхность шара того же объема, и бак-«бублик» тяжелее, несмотря на то что толщина стенок у него такая же. Да и устройство, вытесняющее топливо из бака в двигатель, у тора сложнее, чем у шара. Зато у тороидального бака есть другое, полезное, с точки зрения конструкторов, качество.

Кольцевой сосуд очень удобно сочетать с баллоном иной формы — сферой или цилиндром. Причем вместимость их может быть совсем неодинаковой, под стать запасам горючего и окислителя. Комбинация получается весьма компактной и хорошо увязывается с общим каркасом. Можно даже вдвинуть внутрь кольца ракетный двигатель. Тогда сокращается длина всей конструкции, а значит, и вес. Так размещен, например, тормозной двигатель в советских автоматических станциях «Луна». Дырка от «бублика» оказалась ценным приобретением, экономящим вес космического аппарата.

Топливный отсек ракеты с подвесными тороидальными баками: 1 — корпус ступени; 2 — бак для жидкого водорода; 3 — бак для жидкого кислорода; 4 — ЖРД.

Геометрия всей ракеты в целом находится под неослабным контролем аэродинамиков. С ними не поспоришь, если не хочешь иметь дело с повышенным сопротивлением воздушного потока, обтекающего ракету. Иначе потребуется больше топлива, чтобы набрать ту же самую скорость полета. «Удобообтекаемая форма лучше, чем добавочный вес», — охотно соглашаются конструкторы и утончают ракету, как того требуют аэродинамики, уменьшают ее поперечное сечение. Но никуда не деться от огромных запасов горючего и окислителя. Поэтому, урезая диаметр ракеты, в то же время вытягивают ее корпус, чтобы сохранить вместимость. Так получаются стремительные стрелы современных ракетных носителей.

Конструкторам даже нравятся ракеты малого калибра: уменьшаются размеры и вес днищ топливных баков, увеличивается степень заполнения баков жидким горючим и окислителем и в конечном итоге возрастает скорость полета ракеты. Можно теоретически, с помощью математики, проследить, как увеличивается быстрота разгона ракеты по мере ее утончения. При некотором диаметре скорость становится максимальной. Вот что значит конструктивное и аэродинамическое совершенство! Что ж, видимо, повезло ракетостроителям с выбором формы и не о чем уже беспокоиться? Теория подсказывает им наилучший внешний вид ракеты. К сожалению, — этот найденный на кончике пера конструктивный образ так и остался в теории. Практически осуществить его никак не возможно.

Всему есть мера, даже аэродинамическому совершенству. Чересчур тонкий и длинный корпус ракеты вызывает сомнения у прочнистов своей пониженной жесткостью. Придется укреплять его, а это уже превышение заданного веса. Недовольны и специалисты по стартовому оборудованию — все наземные сооружения возрастут в размерах и чрезвычайно усложнятся. Производственникам тоже не нравятся слишком длинные ракеты, требующие новой оснастки заводских цехов и новых технологических подходов. А как доставлять на космодром эти сверхудлиненные ступени, не укладывающиеся ни в какие габариты транспортируемых грузов?

Слева — советская автоматическая станция «Луна-16»: 1 — кольцевой топливный бак; 2 — двигатель посадочной ступени, установленный в отверстии топливного бака. Справа — советская автоматическая межпланетная станция «Марс-3»: 1 — цилиндрический топливный бак, являющийся основным несущим элементом конструкции. К нему крепятся все остальные части; 2 — тороидальный приборный отсек; 3 — корректирующий и тормозной двигатель, установленный в отверстии приборного отсека.

Нет, не на всякое утончение ракет согласны ракетостроители. А тот наилучший диаметр, который обеспечивает носителям наивысшую скорость, и вовсе лежит за пределами достижимого. Никогда не увидим мы на стартовой площадке ракету-«иглу», навечно заточенную в математические формулы. Не вызволить ее оттуда никакими магическими заклинаниями. В современной космической технике установился своеобразный стандарт на калибр и удлинение ракет: у большинства из них высота превышает диаметр в 10-15 раз.

Всегда ли будут справедливы эти ракетно-архитектурные нормы? Или со временем в моду войдут другие пропорции ракет?

Не исключено, что с ростом грузоподъемности ракетных носителей все перевернется с ног на голову. Уже сейчас появляются проекты гигантских ракет-тяжеловозов с совершенно иным соотношением длины и диаметра. Взять хотя бы предложенный американскими специалистами многоразовый носитель «Нексус». Облик его довольно необычен с современной точки зрения: поперечный размер почти такой же, как высота. Ракета «Нексус» в четыре раза тяжелее самой мощной ныне американской ракеты-носителя «Сатурн-5» и рассчитана на вчетверо больший груз. «Сатурн» рядом с «Нексусом» выглядит тощим Дон Кихотом: при той же примерно высоте последняя в пять раз шире.

Отличие форм и размеров проектируемой американскими конструкторами ракеты «Нексус» от ранее созданных ракет-носителей.