Обтекатель ракеты: защита полезной нагрузки и современные методы восстановления.

Введение

Обтекатель ракеты, используемый для защиты космического аппарата во время запуска.

Обтекатель полезной нагрузки – это обтекатель, предназначенный для защиты полезной нагрузки космического аппарата от воздействия динамического давления и аэродинамического нагрева при прохождении через атмосферу. Дополнительной функцией на некоторых запусках является поддержание условий чистой комнаты для прецизионных приборов. После выхода из атмосферы обтекатель сбрасывается, открывая полезную нагрузку для внешнего космоса. Стандартный обтекатель полезной нагрузки обычно представляет собой комбинацию конуса и цилиндра, что обусловлено аэродинамическими соображениями, хотя используются и другие специализированные обтекатели. Обтекатель, разделяющийся на две половины при сбросе, называется обтекателем типа "раковина" по аналогии с двустворчатой раковиной моллюска. В некоторых случаях обтекатель может включать в себя как полезную нагрузку, так и верхнюю ступень ракеты, например, в ракетах Atlas V и Proton M.

Если полезная нагрузка крепится как к основным конструкциям ракеты-носителя, так и к обтекателю, она все равно может подвергаться воздействию изгибающих нагрузок от обтекателя, а также инерционных нагрузок, вызванных вибрациями от порывов ветра и воздушных ударов. В аэрокосмической промышленности термин "усеченный конус" (фрустум) обозначает обтекатель между ступенями многоступенчатой ракеты (например, Saturn V), имеющий форму усеченного конуса.

Восстановление и повторное использование

Обтекатели полезной нагрузки обычно сгорают в атмосфере или разрушаются при столкновении с океаном, но SpaceX начала их извлекать в 2010-х годах благодаря программе восстановления обтекателей. 30 марта 2017 года SpaceX впервые в истории успешно восстановила неповрежденный обтекатель. 25 июня 2019 года SpaceX во второй раз смогла поймать обтекатель после запуска Falcon Heavy STP 2. После этого SpaceX начала повторно использовать свои обтекатели, производство которых обходится в 6 миллионов долларов за один орбитальный запуск; генеральный директор компании, Илон Маск, заявил, что извлечение обтекателей до контакта с морской водой "облегчает восстановление". В то время как традиционный обтекатель полезной нагрузки обычно сбрасывается с ракеты-носителя и извлекается из моря, ракета Neutron от Rocket Lab предлагает использовать обтекатель, интегрированный в конструкцию ракеты. Этот прикрепленный обтекатель будет раскрываться во время разделения ступеней для высвобождения второй ступени и полезной нагрузки, а затем закрываться после разделения ступеней и возвращаться вместе с первой ступенью при посадке на Землю.

Неудачи миссии, вызванные перегрузкой полезной нагрузки

В некоторых случаях планируется отделение обтекателя после отсечения верхней ступени, а в других – разделение должно произойти до отсечения, но после того, как аппарат преодолеет самую плотную часть атмосферы. Отказ обтекателя отделиться в этих случаях может привести к тому, что аппарат не выйдет на орбиту из-за избыточной массы. Улучшенный адаптер стыковки цели, предназначенный для пилотируемой миссии Gemini 9A, был успешно выведен на орбиту ракетой-носителем Atlas SLV 3 в июне 1966 года. Однако, когда экипаж «Близнецов» состыковался с ним, они обнаружили, что обтекатель не открылся и не отделился, что сделало стыковку невозможной. Два стропа, которые должны были быть сняты перед полетом, оставались на месте. Причиной стала ошибка наземного персонала. В 90-х годах проблемы с обтекателями полезной нагрузки привели к многочисленным неудачам ракеты-носителя «Чанчжэн-2Э» (Long March 2E). В 1999 году запуск спутника наблюдения Земли IKONOS 1 завершился неудачей после того, как обтекатель полезной нагрузки ракеты Athena II не открылся должным образом, не позволив спутнику выйти на орбиту. 24 февраля 2009 года спутник NASA Orbiting Carbon Observatory не смог выйти на орбиту после старта; агентство пришло к выводу, что обтекатель ракеты-носителя Taurus XL не отделился, из-за чего аппарат сохранил слишком большую массу и в итоге упал в Индийский океан вблизи Антарктиды. То же самое произошло с ракетой-носителем Naro-1, первой ракетой-носителем Южной Кореи, запущенной 25 августа 2009 года. Во время запуска половина обтекателя полезной нагрузки не отделилась, в результате чего ракета отклонилась от курса. Спутник не вышел на устойчивую орбиту. 4 марта 2011 года запуск спутника NASA Glory завершился неудачей из-за отказа отделения обтекателя на ракете-носителе Orbital Sciences Taurus XL, в результате чего он упал в Индийский океан. Этот отказ стал вторым подряд случаем неисправности обтекателя на ракете-носителе Orbital Sciences Taurus XL. Впоследствии NASA приняло решение заменить ракету-носитель для замены Orbiting Carbon Observatory, OCO 2, с Taurus на Delta II. 31 августа 2017 года спутник IRNSS 1H ISRO не был выведен на орбиту после того, как обтекатель полезной нагрузки ракеты PSLV C39 не отделился. Из-за избыточной массы ракета не смогла достичь расчетной орбиты, несмотря на нормальную работу всех ступеней. Полезная нагрузка отделилась внутри, но застряла в тепловом щите (альтернативное название обтекателя). Ракета Hyperbola 1 потерпела неудачу 3 августа 2021 года. На следующий день после запуска iSpace сообщила, что обтекатель полезной нагрузки не отделился должным образом, в результате чего единственный спутник не смог выйти на целевую орбиту. 10 февраля 2022 года запуск Astra 3.3 завершился неудачей. Предполагается, что причиной является отказ системы отделения обтекателя.

In some cases, the fairing is planned to separate after cutoff of the upper stage, and in others, the separation is to occur before a cutoff, but after the vehicle has transcended the densest part of the atmosphere. Failure of the fairing to separate in these cases may cause the craft to fail to reach orbit, due to the extra mass. The Augmented Target Docking Adapter, to be used for the Gemini 9A crewed mission, was successfully placed into orbit by an Atlas SLV 3 in June 1966. But when the Gemini crew rendezvoused with it, they discovered the fairing had failed to open and separate, making docking impossible. Two lanyards, which should have been removed before flight, were still in place. The cause was determined to be a launch crew error. In the 90's issues with payload fairing had caused numerous failures of the Long March 2E launch vehicle. In 1999, the launch of the IKONOS 1 Earth observation satellite failed after the payload fairing of the Athena II rocket did not open properly, preventing the satellite from reaching orbit. On February 24, 2009, NASA's Orbiting Carbon Observatory satellite failed to reach orbit after liftoff; the agency concluded that the fairing on the Taurus XL launch vehicle failed to separate, causing the vehicle to retain too much mass and subsequently fall back to Earth and land in the Indian Ocean near Antarctica. The same happened to the Naro 1, South Korea's first carrier rocket, launched on August 25, 2009. During the launch, half of the payload's fairing failed to separate, and as a result, the rocket was thrown off course. The satellite did not reach a stable orbit. On March 4, 2011, NASA's Glory satellite launch failed to reach orbit after liftoff due to a fairing separation failure on the Orbital Sciences Taurus XL launch vehicle, ending up in the Indian Ocean. This failure represented the second consecutive failure of a fairing on an Orbital Sciences Taurus XL vehicle. NASA subsequently decided to switch the launch vehicle for the Orbiting Carbon Observatory's replacement, OCO 2, from a Taurus to a Delta II rocket. On August 31, 2017, ISRO's IRNSS 1H satellite failed to deploy after the payload fairing of the rocket PSLV C39 failed to separate. As a result of extra mass, the rocket could not reach the desired orbit despite each stage's performance being nominal. The payload separated internally, but got stuck within the heat shield ( alternative name for the fairing ). A Hyperbola 1 rocket failed on August 3, 2021. A day after launching, iSpace revealed that the payload fairing had failed to separate properly, resulting in the single satellite being unable to reach its intended orbit. On February 10, 2022 Astra 3.3 launch failed. It is suspected that a fairing separation failure is to blame.