Почему обтекатели для ракет такие дорогие?

Эта статья сделана по мотивам и просьбам следующего комментария:

Охота за обтекателями

На данный момент цена обтекателей для ракет около 5-7 миллионов долларов. Многие задаются вопросом: А почему так дорого? Ведь это просто кусок металла для защиты. Это не совсем так, это не просто кусок металла, хотя и сделана эта конструкция для защиты полезной нагрузки.

Начнем с малого. Каждый килограмм обтекателей уменьшает вес полезной нагрузки. Поэтому используются легкие композиты с усилением конструкции легкими сплавами, обычно это сплавы алюминия. Конструкция напоминает собой соты (isogrid). Вес обтекателя Falcon 9 с диаметром 5.2 метра около 1.9 тонны.

К выбору материала также подходят с особой тщательностью, ведь обтекатель должен защищать от набегающего потока воздуха, от EMI излучения, от перепадов температуры, от прочих вибраций и механических воздействий на ПН. Например Falcon Heavy проходит звуковой барьер примерно на высоте 10 км, и потом разгоняется до 7-8 махов (2-3км/с). На данных высотах воздух все ещё достаточно плотный и происходит сильный разогрев обтекателя с быстрым охлаждением в верхних слоях атмосферы. Колебания температуры могут быть от 100С до -100С в коротком промежутке времени (около минуты). Поэтому материал должен быть устойчивым к быстрым перепадам температуры.

На примере головного обтекателя ракеты рассмотрим воздействие на него аэродинамического нагрева. На рисунке показано изменение конвективного теплового потока в носовой части обтекателя, возникающего при торможении газового потока вблизи обтекаемой поверхности.

Этот тепловой поток вызывает нагрев поверхности головного обтекателя (ГО). Распределение температуры по поверхности ГО показано на следующем рисунке

Как видно из рисунка, температура носовой части ГО превышает допустимую рабочую величину для алюминиевых сплавов. Поэтому на наружную поверхность носовой части ГО наносят ТЗП из асбопластика или стеклопластика на фенольном связующем:

Картина распределения температур по конструкции ГО, имеющего ТЗП носовой части представлена на рисунке:

Из рисунка видно, что и в обшивке и в продольном силовом наборе (стрингерах) рабочая температура в течение полета находится в допустимых пределах. Однако для КА, находящегося внутри ГО, тепловой поток от конструкции обтекателя может быть недопустимым, в следствие чего необходима теплоизоляция нагретой конструкции от внутренней полости ГО. Устройство такой теплоизоляции (ТИ) показано на рисунке:

Это нужно для поддержания температуры 10-30С для КА под обтекателем.

Так-же обтекатели должны иметь возможность вентиляции, чтобы в процессе выхода в космос уравнивать давление внутри отсека чтобы обтекатель не разрушило раньше времени изнутри.

Ещё одна сложность в том, что обтекатели должны открываться идеально чтобы не повредить ПН и ступени ракет под ними на скорости около 3-4 км/c То есть должен быть специальный механизм отделения обтекателей от ПН без повреждения полезной нагрузки и ступени под ней. Хорошее видео теста обтекателей Space X в вакуумной камере в Исследовательском институте Гленн, НАСА:

Для осуществления открытия обтекателя и для разделения ступеней в целом существует система разделения.
Система разделения (СР) предназначена для отделения и увода с траектории выведения отработавших ступеней, а также для отброса элементов конструкции, выполнивших свое функциональное назначение. Конструктивные элементы СР до срабатывания должны обеспечивать целостность конструкции РН и восприятие всех нагрузок. Срабатывание элементов СР осуществляется очень быстро, вследствие чего на борту оказываются источники быстро высвобождающейся энергии (взрывчатое вещество, аккумуляторы давления, пружины и т.д.). После срабатывания разрывных элементов происходит сложная динамика относительного
движения. В состав СР входят агрегаты, узлы и механизмы, обеспечивающие:
— надежное соединение разделяющихся частей и разрыв силовых связей,
— разведение разделяющихся частей.
К первой группе относятся пирозамки, пироболты пневмозамки, механические замки, оболочечные элементы с линейными детонирующими зарядами. Разведение обеспечивают толкатели (пневмо, пиро, пружинные), сопла для газов наддува, тормозные РДТТ, тяга двигателей.

Пироболт системы разделения:

Линейный детонирующий снаряд:

Расположение СР на обтекателе China Great Wall Industry Corporation:

Дополнительная сложность заключается в размере обтекателей. Он составляет примерно 15 метров на 5 метров. В него спокойно может поместиться городской автобус. Для изготовления обтекателей из металла используются специальные большие станки с ЧПУ или очень большие автоклавы в случае использования композитов. Данные процессы очень ресурсоёмкие и занимают достаточно много времени. Автоклав компании Boeing:

Ну и нужно не забывать что после сборки обтекатель должен пройти серьезную проверку так как от него зависит выживаемость ПН в процессе запуска. Стоит помнить, что как и в случае с дефектами с ракетой, дефект в обтекателе приведет к потере ПН и провалу миссии уже после старта ракеты, когда отменить запуск нельзя.

Человек на фоне обтекателя для сравнения размеров:

Схема обтекателя:

Иногда при запуске тонких инструментов от обтекателей требуется создание и поддержание атмосферы чистой комнаты внутри отсека. Это накладывает дополнительные сложности при проектировании обтекателей и способствует увеличению цены.

Update
Добавлена дополнительная информация.

К лучшим публикациям Хабра за сутки