Автор работы: студент группы АД 3422 Сафин Наиль Ирекович
ФГБОУ ВО УУНиТ
Институт среднего профессионального образования
Техническое отделение
Научный руководитель: к.т.н. Дикова Флорида Амировна
Какова роль авиации в освоении космоса?
Содержание
Введение
1. История создания авиационных космических систем
1.1 Использование авиационных технологий
1.2 Транспортировка элементов космической техники и космопланов
1.3 Роль авиации в подборе и подготовке космонавтов
1.4 Роль авиации в спасательные операции космонавтов
2. Перспективы применения авиации в подготовке космических полетов
2.1 Самолеты гибридного типа
2.2 Роль авиации в исследование других планет
3. Заключение
Список использованной литературы
Введение
Космическая отрасль, возникшая на стыке ракетостроения и авиации, представляет собой уникальную область, в которой исторически сложились тесные связи между авиацией и развитием космоса. В условиях современных вызовов, связанных с освоением дальнего космоса и развитием многоразовых космических систем, исследование роли авиации в этом процессе становится особенно актуальным. Технологии оказывают разработанные в авиации, оказывают значительное влияние на космические программы.
Актуальность темы связанна с изучением роли авиации в космонавтике, что позволяет понять, как авиационные технологии способствовали развитию космических полетов. Также это исследование важно для создания новых технологий в обоих отраслях.
Цель данной работы — рассмотреть роль авиации в освоении космоса.
Задачи
- Изучить историю использования авиационных космических систем в развитии космоса.
- Определить области применения авиации в освоении космоса а также их состояние и перспективы.
1. История создания авиационных космических систем
1.1 Использование авиационных технологий
Космическая программа активно развивалась благодаря достижениям авиационной науки и техники и благодаря работе выдающихся конструкторов.
Наиболее сложной и имеющей большую историю областью использования авиации в освоении космоса является создание и применение авиационно-космических систем (АКС). В качестве АКС в работе рассматривается система, состоящая, как правило, из многоразового орбитального крылатого летательного аппарата самолётной схемы и средств его выведения в космос. Возможна также и одноступенчатая схема АКС.
Космическая отрасль исторически зависит от авиации. Гений теоретической космонавтики Константин Циолковский, параллельно с созданием теории ракетного полета, разрабатывал воздухоплавательные аппараты [1].
В 1921 году Фридрих Цандер стал работать над своим проектом крылатого аппарата с поршневым двигателем для создания тяги у земли и ракетным для движения на высоте. Для ускорения в космосе предусматривался солнечный парус. Проект в 1927 году был представлен на Первой мировой выставке межпланетных аппаратов и механизмов [11].
Бомбардировщик О. Зенгера также сыграл значительную роль в развитии авиационных технологий. Разрабатывался с 1939 по 1944 год. Данный аппарат должен был разгоняться на реактивных салазках и после входа на орбиту отталкивался от плотных слоев атмосферы после чего сбрасывал бомбы и шел на посадку. Его разработки продемонстрировали возможности интеграции авиационных и ракетных технологий, что способствовало созданию новых методов полета в космос [12].
Крылатая баллистическая ракета Фау-2 разработанная Вернером фон Брауном имела дальностью 320 км и скоростью 5900 км/час, что было в то время передовыми характеристиками для ракетных двигателей. На основе немецких разработок советские конструкторы под руководством Сергея Королева начали разработку собственных более совершенных ракет, что положило начало космическо-ракетной промышленности. Первой ракетой на базе Фау-2 была ракета Р-1 принятая на вооружение СССР [7].
Технологии совершенствовались и в 1954 была создана межконтинентальная баллистическая ракета Р-7 созданная для военных целей. Одновременно с ее испытаниями велась работа по созданию первого искусственного спутника земли. Вскоре было принято использовать облегченную версию Р-7 для запуска в космос и выведения на орбиту искусственных спутников. 4 Октября 1957 года был совершен успешный запуск ракеты Р-7 с первым искусственным спутником на борту.
После успешного запуска "Спутника-1" началась новая эра космических исследований и космическая гонка СССР И США.
- Программа «Спутник-2». Запуск ракеты с первым живым существом на борту — собакой Лайкой 3 ноября 1957 года.
- Программа «Восток». Запуск первых людей в космос, в том числе и Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года.
- Программа «Восход». Орбитальный полет с несколькими людьми на борту и выход первого человека А. Леонова в открытый космос 18 марта 1965 года.
- Программа «Луна». Исследование поверхности луны и доставка лунного грунта на землю 1958 – 1976 года.
- Программа «Союз». Основная программа для пилотируемых космических проектов на десятилетия вперёд 1965 – наши дни.
- Программа орбитальных станций. В нее входят станции «Мир» и «Союз» которые использовались для проведения исследований в условиях микро гравитации.
Многие технологии используемые в данных программах были заимствованные из авиации: автоматические и ручные системы управления; элементы авионики такие как приборы для контроля высоты, скорости и ориентации в пространстве адаптированные для космических условий; современные для того времени лёгкие материалы, такие как алюминий и композиты значительно доработанные.
Во второй половине ХХ века в США и в СССР развернулись работы по созданию АКС, прежде всего в военных целях. Старт гонке был дан в США, где в 1957 году началась разработке пилотируемого орбитального крылатого аппарата «Дайна-Сор», выводимого в космос ракетой Титан.
Разработки АКС в СССР проводились в нескольких ведущих авиационных и ракетно-космических ОКБ: ОКБ Микояна-Спираль, ОКБ Туполева-Ту2000, ОКБ Мясищева-М19, ОКБ Челомея-Кожух,ЛКС, НПО Молния и НПО Энергия-«Энергия –Буран», «Спираль», разработанный в 1960-е годы, который включал орбитальный самолет с ракетной ступенью и гиперзвуковой самолет-разгонщик. В рамках этой программы было создано несколько опытных моделей космопланов, проводились пробные запуски, разработано большое количество новаторских материалов и технологий [1].
В конце 1970-х годов роль авиации сыграла в масштабном проекте – многоразового корабля «Буран».
Работа над многоразовым космическим кораблем «Буран» считается самой масштабной космической стройкой в истории СССР, в которой участвовало около тысячи организаций. «Буран» — многоразовый космический корабль, который мог доставлять грузы на орбиту и возвращать их на Землю. Программа «Энергия — Буран» была запущена в 1976 году, спустя пять лет после старта программы Space Shuttle. Несмотря на внешнее сходство, системы различались конструктивно. В то время как Space Shuttle использовал твердотопливные ускорители и маршевые двигатели, советская «Энергия» объединяла эти функции в одной двухступенчатой ракете-носителе, что позволило «Бурану» отказаться от громоздких маршевых двигателей. Вывод на орбиту осуществлялся с помощью маневровых двигателей, что позволяло избежать загрязнения околоземного пространства. Отделившиеся блоки либо сгорали в атмосфере, либо возвращались на Землю для повторного использования. «Энергия» могла выводить на орбиту грузы массой до 105 тонн, а суммарная мощность ее двигателей составляла 170 миллионов лошадиных сил, что обеспечивало возможность запуска межпланетных миссий.
При создании «Бурана» активно использовались авиационные технологии, в том числе автоматические системы управления, разработанные в ЛИИ им. Громова. В процессе разработки «Бурана» специалисты испытывали автоматическую систему управления, позволяющую осуществлять миссии без экипажа. И это разработка стала успешна. При посадке «Буран» снижался с большой скоростью, определяемой заранее выбранной траекторией. Он приземлился на космодром Байконур, и хотя тормозные парашюты сработали позже, чем ожидалось, посадка прошла безупречно, что продемонстрировало высокий уровень интеграции авиационных и космических технологий.. «Буран» стал первым орбитальным кораблем, успешно приземлившимся в автоматическом режиме [2] [4].
Создание технологий предназначенные для «Бурана» оказало влияние на многие сферы, от авиации до сельского хозяйства. Несмотря на завершение программ орбитальных челноков, история многоразовых космических аппаратов продолжается, и разработчики активно работают над новыми моделями для дальних космических полетов [2].
1.2 Транспортировка элементов космической техники и космопланов
Транспортировка элементов космической техники — это отдельное направление в логистике космических ракетных стартов. Для доставки на космодром Байконур элементов сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» и планера корабля «Буран» был разработан самолет-гигант Ан-225 «Мрия». Этот самолет, спроектированный для перевозки крупных грузов, должен был стать важным звеном в логистической цепочке космических запусков. «Мрия» имела возможность транспортировать элементы, превышающие размеры ее грузового отсека, путем их крепления на корпус [1] [3].
Однако постройка и испытания задерживались, и Ан-225 не успел принять участие в программе. Его роль выполнил транспортник ВМ-Т «Атлант», созданный на основе бомбардировщика ЗМ. В течение нескольких лет уникальные транспортники совершили более 150 полетов, перенося на своей спине грузы для программы «Энергия» − «Буран» [1].
Однако на проекте «Энергия» − «Буран» идеи использования Ан-225 не прекратились. Согласно первоначальной концепции воздушно-космический самолет "Хотол" (ВКС) представлял собой беспилотный многоразовый одноступенчатый аппарат с горизонтальным взлетом и посадкой. Однако из-за большого технического риска и его огромной стоимости финансирование проекта было прекращено. Но вскоре было рассмотрено предложение о возможности использования Ан-225 в качестве первой ступени для воздушного запуска их космического аппарата. Спустя некоторое время состоялась презентация совместного советско-британского проекта "Ан-225 - "Интерим Хотол" [5].
Сам проект "Мрия"-"Хотол" представляет собой уникальную авиационно-космическую систему, использующую самолет Ан-225 для запуска космических аппаратов. Основное преимущество данной системы заключается в подвижном самолетном старте, который позволяет снизить затраты на выведение полезной нагрузки и отвечает современным экологическим требованиям. В рамках совместного исследования с "Бритиш Аэроспейс" создавались необходимые компоненты для реализации этой системы. Связь космонавтики и авиации в данном контексте проявляется в использовании авиационных технологий и самолетов для достижения космических целей. Ан-225 служит носителем, который обеспечивает запуск космических аппаратов на высоте, что делает процесс более эффективным и экономичным. Презентация удалась и проект признали амбициозным, однако отсутствие государственного финансирования поставило под угрозу реализацию проекта, что является общей проблемой для многих подобных инициатив [5].
В дополнение к этому, в 2019 году был предложен проект транспортного самолета Ил-96-500Т для перевозки негабаритных грузов, в частности, частей ракет-носителей “Ангара”, что показывает продолжение роли авиации в поддержке космических программ. Таким образом, авиация не только обеспечивает транспортировку космической техники, но и активно участвует в ее разработке и испытаниях [1].
1.3 Роль авиации в подборе и подготовке космонавтов
Авиация сыграла ключевую роль в формировании и подготовке первых космонавтов в СССР, что стало основой для успешных пилотируемых полетов в космос. В марте 1960 года началось зачисление в первый отряд советских космонавтов. Из 3461 летчика истребительной авиации комиссия отобрала сначала 347, затем 20 и, наконец, шесть кандидатов в космонавты. Этот процесс был очень строгим, и требования к кандидатам были гораздо жестче, чем сегодня.
Первым мог стать только летчик реактивной истребительной авиации, абсолютно здоровый, профессионально подготовленный, дисциплинированный, молодой (около 30 лет), ростом не более 170 см и весом до 68–70 кг. Эти параметры были основаны на необходимости быстро реагировать на изменения условий полета, справляться с перегрузками и стрессовыми ситуациями, что является обычным для истребителей. Их навыки управления в условиях высокой скорости и маневренности были ценными для работы в космосе, где требуется быстрое принятие решений [8].
Подготовка космонавтов включала использование авиационных тренажеров и технологий, что позволяло максимально приближенно имитировать условия космического полета.
Лаборатория №47 Летно-исследовательского института им. М.М. Громова разработала оборудование для кабины корабля «Восток», создав специализированный тренажер для подготовки первых космонавтов. Эти тренажеры позволяли кандидатам отрабатывать навыки управления космическим кораблем и знакомиться с его оборудованием в условиях, максимально приближенных к реальным. Знаменитые центрифуги, созданные в НИИАО, использовались для проверки переносимости перегрузок как космонавтами, так и авиапилотами. Эти устройства позволяли симулировать условия, которые испытывают летчики и космонавты во время старта, маневров и посадки, что особенно важно для подготовки к экстремальным ситуациям [1].
Летающие лаборатории также способствовали для профессиональной подготовки космонавтов, а также для проведения специальных технических, технологических испытаний различных устройств, агрегатов и объектов космической техники.
Некоторые примеры летающих лабораторий: Ту-104АК, Ил-76МДК. [14].
Таким образом, авиация не только предоставила технические и технологические основы для подготовки первых космонавтов, но и обеспечила необходимый кадровый ресурс. Отбор летчиков-истребителей в качестве кандидатов в космонавты, использование авиационных тренажеров и центрифуг для подготовки стали важными факторами, способствующими успешным пилотируемым полетам в космос. Эта интеграция авиационных технологий и опыта в космическую программу СССР послужила основой для дальнейших достижений в области космонавтики.
1.4 Роль авиации в спасательных операциях космонавтов
Спасательные операции космонавтов после приземления являются важной частью космических миссий, и в этом процессе авиация играет ключевую роль. После завершения полета космический экипаж должен быть безопасно эвакуирован из спускаемого аппарата, что требует четкой координации и использования различных авиационных средств.
Прежде чем эвакуировать космонавтов, необходимо найти спускаемый аппарат. За определенное время до касания капсулой земли в воздух поднимается самолет Ан-26. Его задача заключается в следующем: - Поиск и сопровождение: Самолет поднимается на заданную высоту и начинает искать место приземления капсулы. Он отслеживает спускаемый после чего передает данные о ходе поиска, что позволяет оперативно реагировать на любые изменения в ситуации. Как только место приземления капсулы обнаружено, Ан-26 наводит на точку посадки дополнительные авиационные и наземные средства. Два вертолета, как правило, Ми-8, вылетают на место приземления. Они обеспечивают быструю доставку спасателей и медицинских работников к космонавтам. Специальные машины и группы спасателей также направляются к месту приземления, чтобы обеспечить помощь и эвакуацию. Как только вертолеты и наземные группы достигают места приземления, они начинают работу по эвакуации космонавтов. Спасатели проверяют здоровье космонавтов и при необходимости предоставляют первую медицинскую помощь Космонавты помещаются в вертолеты или специальные автомобили для дальнейшей транспортировки [9].
Таким образом, спасательные операции после приземления космонавтов требуют высокой степени координации и использования авиационных технологий. Авиация играет центральную роль в обеспечении безопасности экипажа, начиная от поиска спускаемого аппарата и заканчивая эвакуацией космонавтов к месту, где им будет оказана необходимая медицинская помощь. Эти операции подчеркивают важность интеграции авиационных средств в программу космических полетов и спасательных операций.
2. Перспективы применения авиации в подготовке космических полетов
2.1 Самолеты гибридного типа
Наблюдая прогресс авиационной и космической техники, можно задаться вопросом: будет ли в дальнейшем происходить сближение этих областей, или их развитие пойдет разными путями? Есть серьезные основания считать, что в недалеком будущем произойдет заметное сближение авиации и космонавтики. Например, когда летишь на современном сверхзвуковом истребителе, забираясь на предельную высоту, кажется, что совсем немного недостает машине, чтобы вырваться из пут земного тяготения и выйти на орбиту. В то же время, при возвращении из космического полета, корабль входит в плотные слои атмосферы, возникает мысль о желательности наличия у него качеств самолета для выполнения маневров и привычной посадки на аэродром. Я вижу выход в разработке принципиально новых космических транспортных кораблей, которые должны «уметь» летать в атмосфере, выходить на околоземную орбиту, находиться на ней достаточно продолжительное время, а затем совершать посадку по-самолетному, на аэродром. Но пока что ни самолет, ни космический корабль не обладают данными качествами.
Популярность воздушных путешествий стремительно растет, особенно на маршрутах, соединяющих мегаполисы с туристическими центрами и курортами. В связи с тем, что значительная часть пассажиров предпочитает небольшие и средние самолеты, некоторые аэропорты испытывают серьезную нагрузку, не справляясь с растущим потоком туристов.
Решением могло бы стать постройка сверхзвукового аэробуса – крупного пассажирского самолета летающего со скоростью свыше 3000 км/ч.
На данный момент существуют реактивные пассажирские самолеты, которые частично удовлетворяют поставленные задачи, но они являются экономически не целесообразными из-за малой пассажировмещаемости и высокого расхода топлива, что делает стоимость билетов огромной.
Но из за чего такие расходы?
Авиация возникла благодаря воздушной оболочке планеты. Воздух создает опору летящему самолету, позволяет маневрировать в пространстве, он же используется для работы двигателей. Однако воздух создает аэродинамическое сопротивление, увеличивающееся с ростом скорости, что требует значительно мощности от двигателей, и чем выше скорость тем больше сопротивление. Существуют и пороговые препятствия, такие как звуковой барьер и тепловой барьер, связанный с перегревом самолетов при сверхзвуковых скоростях.
Создатели космической техники уже столкнулись с трудностями теплозащиты, разработав абляционные покрытия, которые защищают спускаемые аппараты от тепловых потоков до 6-8 тысяч градусов за счет перехода материала в газообразное состояние. Однако такие покрытия изменяют форму и массу, что нежелательно для аппаратов, использующих подъемную силу. Даже при создании надежной тепловой защиты полеты на гиперзвуковых скоростях на больших высотах были бы экономически невыгодны из-за высокого расхода энергии на преодоление аэродинамического сопротивления.
Вот почему летать с большими скоростями можно лишь в разреженной атмосфере. Здесь и задачи теплозащиты аппарата могут быть решены доступными средствами. Другими словами, надо подниматься в область не освоенных еще высот, в область верхней атмосферы, которая лежит между высотами 30 и 150 километров. Самолеты не могут здесь летать вследствие недостаточной подъемной силы крыльев и тяги воздушно-реактивного двигателя, а орбитальный полёт космического корабля на таких высотах невозможен из-за большого аэродинамического торможения. Эта область разреженной атмосферы пока разделяет авиацию и космонавтику, не дает установить между ними более тесное взаимодействие.
А нужно ли такое взаимодействие? Да, нужно. В околоземном космическом пространстве без него вряд ли можно будет обойтись. С дальнейшим расширением деятельности человека в этом районе все обслуживание между Землей и околоземными орбитами, очевидно, придется взять на себя летательным аппаратам нового гибридного типа.
Есть данные о том, что авиация и космонавтика осваивают верхнюю атмосферу. Экспериментальный пилотируемые самолет «North America X-16» с ракетными двигателями, запущенные в США с самолетов-носителей, достигали высоты более 80 километров и скорости около 6000 километров в час. После отделения от носителей они разгонялись и выходили на баллистическую траекторию, используя струйные рули для управления. Однако ограниченный запас топлива позволял им лишь подскакивать вверх, после чего они планировали и приземлялись [10].
Авиация подбирается к области неосвоенных высот снизу, космонавтика — сверху.
В настоящее время оптимальной конструкцией космического корабля, соответствующей самым жестким требованиям, считается двухступенчатая схема с параллельным расположением ступеней. Обе ступени являются пилотируемыми и возвратными, оснащены крыльями; они стартуют и приземляются на аэродроме, как обычные самолеты. Можно представить такой корабль как два самолета: внизу находится крупный разгонный самолет, а сверху — меньший. Крупный самолет взлетает с аэродрома, и после достижения необходимой скорости меньший отсоединяется от него и с помощью своих двигателей выходит на орбиту. В это время разгонный самолет возвращается обратно на аэродром. После выполнения своей задачи орбитальный самолет выходит из орбиты и также приземляется на аэродроме..
Создание многоразовых кораблей улучшит транспортную систему земли и решит главную проблему космической отрасли – одноразовость техники, так как она является главным тормозом развития космонавтики из-за больших расходов [6].
2.2 Роль авиации в исследование других планет
В далеком будущем, когда человечество начнет осваивать другие планеты, перед исследователями возникнут серьезные вызовы. Ближайшей к Земле планетой, обладающей относительной пригодностью для колонизации, является Марс, диаметр которого составляет лишь половину земного. Несмотря на это, площадь планеты остается колоссальной, и исследование с помощью наземного транспорта займет значительное время. В этом контексте наиболее оптимальным решением представляется использование воздушного перемещения. К сожалению, традиционные двигатели внутреннего сгорания, применяемые на Земле, не смогут функционировать на Марсе, поскольку для их работы требуется большое количество кислорода, содержание которого в марсианской атмосфере составляет всего 0,14%. Для решения этой проблемы необходимо будет использовать либо электродвигатели, либо двигатели, работающие на двухкомпонентном топливе, которое не требует кислорода для горения. Кроме того, атмосфера Марса значительно разряжена, и давление на поверхности планеты эквивалентно давлению на высоте 30 000 метров в земной атмосфере. Подъемная сила крыла зависит от его площади и скорости набегающего потока воздуха. Для поддержания полета в таких условиях необходимо будет достигать сверхзвуковых скоростей, что является сложной и неэкономичной задачей, ведь для исследований большие скорости вовсе не нужны. Более рациональным решением будет увеличение площади крыла, что обеспечит необходимую подъемную силу. Для активного полета, а не планирования, целесообразно использовать уменьшенные ракетные двигатели, которые прекрасно адаптируются к марсианской атмосфере благодаря своему двухкомпонентному топливу. Среди положительных факторов, стоит отметить, что марсианское притяжение составляет лишь 0,38g, что примерно в 2,5 раза меньше земного. Это позволит летательным аппаратам требовать меньше энергии для взлёта, а разреженная атмосфера снизит расход топлива для преодоления аэродинамического сопротивления. Освоение Марса является важным этапом на пути к колонизации других планет и глубокому исследованию космоса. Роль авиации и авиационных технологий в этом процессе будет неоценима, поскольку они станут основой для разработки эффективных систем перемещения и исследования на поверхности красной планеты [13].
3. Заключение
Исторически роль авиации в развитии космонавтики очень важна и открывает новые горизонты для человечества в изучении бескрайних просторов вселенной.
В работе рассмотрены следующие области применения авиации в освоении космоса:
- Благодаря авиационным конструкторам были заложены основные теории ракетного полета;
- Создание баллистических ракет положило начало развитию космической промышленности;
- Многие авиационные технологии такие как автоматические системы управления и материалы используемые в авиа строении использовались в космических проектах;
- Проекты космопланов это прямое влияние авиации на космонавтику так как полет космоплана предусматривает помимо орбитального полета и атмосферный как у самолетов;
- Первыми космонавтами становились не простые люди а лётчики истребительной авиации так как только они могли перенести перегрузки полета и среагировать в экстренной ситуации, а их обучение происходило на тренажёрах созданных в авиационных НИИ;
- Благодаря авиации транспортировка и запуск космических аппаратов стала намного быстрее и дешевле;
- Также без авиации спасение астронавтов была бы намного труднее, ведь поиск и эвакуации с воздуха крайне эффективна;
- В будущем роль авиационной промышленности в космонавтике не пойдет на спад – будут разрабатываться новейшие орбитальные корабли которые смогут взлетать с аэродрома и входить на орбиту и после по самолетному возвращаться на землю, что крайне удешевит полеты в космос и ускорит перемещение по земле;
- В покорении планет будет использоваться авиация как самый эффективный и практичный способ перемещения;
- Важно чтобы авиация и дальше участвовала в освоении космоса, чтобы человечество могло покорять все новые более амбициозные цели в бескрайних просторах вселенной.
Список использованной литературы:
- https://rostec.ru/media/news/odno-nebo-na-dvoikh-kak-aviatsiya-pomogala-kosmonavtike/#end
- https://buran.tass.ru
- https://novate.ru/blogs/070218/44813/
- https://otrageniya.livejournal.com/195296.html
- https://astronaut.ru/bookcase/article/article44.htm?reload_coolmenus
- https://www.nkj.ru/archive/articles/24162/
- https://topwar.ru/180484-kak-nacistskaja-raketnaja-programma-fau-stala-bazoj-sovetskoj-raketno-kosmicheskoj-programmy.html
- https://naukatv.ru/articles/741
- https://www.techinsider.ru/vehicles/371232-kak-spasayut-rossiyskih-kosmonavtov-spasateli-i-ih-tehnika/
- https://ru.m.wikipedia.org/wiki/North_American_X-15
- https://lenta.ru/articles/2024/04/12/zander/
- https://topwar.ru/12793-chudo-oruzhie-reyha-kosmicheskiy-bombardirovschik-zengera.html
- https://www.techinsider.ru/technologies/513042-transport-dlya-marsa-i-drugih-planet-inaya-fizika/
- https://cosmos.vdnh.ru/izdoma/letayushchie-laboratorii/
|