Главная    Конференция     Зачем мы тормозим "Прогресс"?
"ТРИЗ-Конференция - 2007" Список участников и тематика выступлений

ЗАЧЕМ МЫ ТОРМОЗИМ “ПРОГРЕСС”?

Д.О. Монахов, Центр Келдыша
О.В. Монахов, ТРИЗ-Санкт-Петербург
Россия

На основании жизненного цикла грузового космического корабля “Прогресс” проведен анализ работы подобных аппаратов с позиции ТРИЗ. Воспользовавшись ключевыми приемами и инструментами Теории, такими как идеальный конечный результат (ИКР), законы развития технических систем (ЗРТС), приемы разрешения противоречий и другими, указано на возможные пути совершенствования данной технической системы и сделан прогноз ее развития.

Грузовой космический корабль, повышение идеальности, законы развития технических систем, надежность.

Грузовой космический корабль «Прогресс» (рис. 1) – первый автоматический аппарат, обеспечивающий снабжение орбитальных станций грузами, топливом, всем необходимым для пребывания на станции космонавтов, – их длительного и эффективного функционирования.

За время эксплуатации с 1978 года было выполнено 42 пуска аппаратов «Прогресс» и 70 пусков аппаратов “Прогресс М”. В год происходит, в среднем, 4 пуска. Корабль выводится на опорную орбиту. Там он включает двигатели сближения и через 2 суток стыкуется с орбитальной станцией для разгрузки. После выполнения своего предназначения «Прогресс» считается объектом, засоряющим околоземное пространство. На место полезного груза помещаются отходы, мусор и отработавшая аппаратура. После этого корабль отходит от станции, при помощи основного двигателя уменьшает свою скорость, снижается и сгорает в атмосфере над заданным районом Тихого океана.

Рисунок 1. Грузовой космический корабль «Прогресс»
Рисунок 1. Грузовой космический корабль «Прогресс»
1 – антенна аппаратуры сближения системы «Курс»; 2 – двигатели причаливания и ориентации, 3 – сближающее-корретирующий двигатель; 4 – приборно-агрегатный отсек; 5 – аппаратура комплекса бортовых систем; 6 – отсек компонентов дозаправки; 7 – грузовой отсек; 8 – стыковочный агрегат с переходным люком.

Поскольку в космосе в настоящее время находится в больших количествах космический мусор, такой подход выглядит правильным с точки зрения космической экологии. Сейчас экономически целесообразно его уничтожать.

По причине столь высокой стоимости массы, доставленной в космос, каждый килограмм полезного груза должен давать максимальную отдачу, быть как можно идеальнее. Это идет в разрез с добровольным списанием аппарата, который проработал на орбите только 1 месяц.

Приближаясь к идеалу необходимо, чтобы все до единой части грузового корабля на протяжении всего времени работы выполняли полезные функции. Нельзя, чтобы прибор из системы управления только выдавал нужные сигналы, а потом выбрасывался. Это было бы возможно, если бы он был копеечным. Однако за долгие годы он так и остался существенной частью массы корабля. Любой вывод груза на орбиту должен приводить к его использованию и отсутствию мусора.

Если посмотреть на развитие космической отрасли, то можно отметить следующее: из двух способов повышения идеальности, для космических систем в основном используется первый – снижение затрат. При этом если имеет место повышение суммы функций, то только за счет надсистемных ресурсов.

Для того чтобы повысить идеальность необходимо пойти одним из следующих путей:

  • Сделать так, чтобы вспомогательные или вредные функции стали полезными
  • Убрать носитель вредного действия
  • Убрать объект вредного действия

Рисунок 2. Последовательность моделирования
Компонентная модель Функциональная модель Функционально-идеальная модель Рисунок 2. Последовательность моделирования

В рамках анализа (рис. 2) была составлена функциональная схема аппарата и проведено функционально-идеальное моделирование. Этот шаг – приближение к идеальному грузовому космическому кораблю (ГКК), который выполняет только ту функцию, для которой он создан: перемещать груз, удерживать груз, удерживать воздух, удерживать и перемещать мусор. В результате анализа получены следующие выводы: в аппарате имеются ресурсы для свертывания, и в рамках модели они выглядят реализуемо, однако дают лишь небольшое локальное преимущество, которое с учетом надсистемных ограничений пока неприемлемо. Дело в том, что для перехода на применение нового, следующего поколения серийной системы, работающей в космосе, необходимо накопление некоторой «критической массы» отсталости. Тогда сразу разрабатывается «новый» аппарат с учетом всех нововведений и сразу вытесняет «старый».

Другой понятной тенденцией, накладывающей определенные ограничения, является предпочтительное применение для вспомогательных систем отработанных технологий. Это можно объяснить с точки зрения закона опережающего развития рабочего органа. Именно в рабочем органе заключаются ключевые противоречия, которые тормозят развитие системы. Кроме того, он в реальном выражении дороже, чем второстепенные системы. Поэтому если в рассмотрение идеальности ввести фактор надежности, становится понятно, как переход к более функциональной или менее затратной системе может снизить общую идеальность. Попытки улучшить второстепенные системы могут либо дать небольшой плюс по идеальности, либо, из-за ограничений по надежности, сильно ухудшить качество системы.

Двинемся теперь в ином направлении. Одним из недостатков функционально-идеального моделирования является возможность свернуть элемент, который содержит в себе ресурс для развития системы в целом. Не будем отбрасывать слабо функциональные элементы, а наоборот, постараемся превратить их в полезный груз, сохранив за ними их вспомогательные функции. В таком случае ИКР можно сформулировать следующим образом: корабль сам меняется (меняет физические, химические, электромагнитные, геометрические свойства) так, что становится возможным его дальнейшее применение на орбите. В частности, корабль сам разбирается и сам соединяется на орбите в нужную конструкцию. При этом для преодоления психологической инерции усугубим ситуацию и рассмотрим 100 аппаратов «Прогресс» на орбите и возможные манипуляции с ними.

Солнечные батареи одного аппарата имеют площадь 12 м2. Для 100 аппаратов имеем суммарную площадь 1200 м2. Для сравнения, площадь солнечных батарей международной космической станции (МКС) составляет 842 м2. Напрашивается идея снять солнечные батареи с «Прогресса» и установить на орбитальной станции. Здесь стоит отметить, что для этого потребуется установить на ГКК более долговечные солнечные батареи, менее склонные к деградации и имеющие более высокий КПД (~30% для арсенид-галлиевых батарей против 12% для кремниевых).

Рисунок 3. Расположение баков и баллонов в аппарате
Рисунок 3. Расположение баков и баллонов в аппарате
1 – стыковочный агрегат, 2 – герметичный отсек, 3 – баки и баллоны из-под компонентов дозаправки, 4 – отсек компонентов дозаправки, 5 – приборный отсек, 6 – агрегатный отсек.

Герметичный грузовой отсек, как и два десятка баков и баллонов (рис. 3) использовать как емкость для хранения жидкости или газа. Использовать для накопления газообразных или жидких компонентов топлива. 100 грузовых отсеков объемом по 6.6 м3 дадут 6600 м3 полезного объема. Следствием этой идеи является тот факт, что, состыковавшись с орбитальной станцией, отстыковываться от нее уже не надо. В этом случае нужно сразу по прилете «привариться» специально подготовленным (сделать заранее) «стыковочным агрегатом» ГКК к орбитальной станции.

Негерметичный корпус можно использовать для создания силовых конструкций. Скрепляя корпуса под углом 14.2°, из 50 секций получим тор диаметром 75 метров. Он напоминает нечто придуманное еще К. Циолковским и Ф. Цандером.

Корпус можно разрезать поперечно на кольцевые элементы и затем сваривать. Сиюминутно это выглядит дико, а вот в перспективе может дать следующие шаги: опять же заранее сделать корпус с рассогласованием свойств, чтобы в нужный момент он «сам» распался на составные части. Идея получения кольцевых фрагментов наиболее наглядна, реально же нужно воспользоваться более «продвинутыми» геометрическими эффектами. К ним можно отнести разделение корпуса по спирали. Саморазделение корпуса – за счет укладки по местам стыков небольших количеств взрывчатого вещества или размещения других отзывчивых к внешнему полю добавок, ослабляющих конструкцию в нужном месте (плавкие вещества, кислоты).

Взрывчатое вещество можно использовать для проведения экспериментов в космосе, связанных с механикой, прочностью. Из 100 блоков взрывчатого вещества может быть изготовлено изделие для исследования разнообразных явлений, связанных с взрывом. Также взрывчатое вещество может применяться для коррекции траектории летящих на станцию крупных обломков.

Необходимо, чтобы весь ГКК, включая детали корпуса, грузовой отсек и прочее, также являлся полезным грузом. Чтобы 100% выводимого на орбиту веса там оставалось и использовалось. Это значит, что контейнер должен быть либо из нужного на орбите материала, либо иметь требуемую форму, свойства. В космосе есть потребность в источниках энергии, рабочих телах, выходящих из строя приборах, элементах конструкции для орбитальных «поделок». Возможный вариант – использование для конструктивных элементов вместо металла твердого топлива.

Если заранее проектировать весь комплекс таким образом, чтобы те или иные элементы грузовика занимали в будущей станции определенную нишу, выполняли полезные функции. В основном это могут быть конструкции корпуса, емкости, двигатели, – детали, способные непосредственно представлять собой соответствующие конструкции станции. Все это позволит снизить стоимость развертывания объектов на орбите. Подобный модульный принцип – закономерная тенденция развития техники.

Одним из примеров применения модулей является персональный компьютер. Он строится из отдельных узлов с полной взаимозаменяемостью. Только после появления так называемой «открытой архитектуры» компьютер стал таким распространенным.

Отдельные узлы и агрегаты грузовика и станции должны подходить друг к другу, являться взаимозаменяемыми модулями. Поскольку на аппарате все будет построено из набора нескольких базовых одинаковых модулей, его надежность возрастет, так как создать один раз надежный, совершенный модуль и использовать его везде проще, чем каждый раз биться за надежность нового объекта. Учет этого на раннем этапе проектирования космических конструкций позволит в дальнейшем экономить значительные средства. Как видно из мысленного эксперимента с кораблями «Прогресс», в нашем распоряжении оказалось бы 100 блоков системы управления, 100 (дублированных) двигательных установок, баков, корпусных деталей и т.п. Будучи заранее предусмотренным, их применение чрезвычайно эффективно.

Если будет использовано 100% прилетевшего груза, то менее выгодно стыковаться к станции. Намного удобнее будет залететь в герметизируемый отсек (ангар), в котором потом будут произведены все работы с кораблем.

При сравнении с альтернативными системами, а это доставка грузов совместно с доставкой космонавтов, выделяется следующее. Преимущество этих кораблей (Союз-ТМА, Шаттл) – они имеют возможность возвращения на Землю, и для этого оборудуются специальной системой теплозащиты. Она нужна нам только на то короткое время, пока аппарат входит в плотные слои атмосферы. Поэтому брать ее с собой с Земли не обязательно. Нужно в космосе наносить на корабль теплозащиту, чтобы он мог долететь до Земли и не сгореть (спасение аппарата). Часть конструктивных элементов корабля должна прямо в космосе быть использована для формирования спускаемого аппарата, основной отличительной особенностью которого является соответствующая аэродинамическая форма и наличие теплозащитного покрытия. Это может быть реализовано по принципу «матрешки», когда один из отсеков соответствующим образом переоборудованного корабля будет помещаться внутрь более широкого корпуса других отсеков, которые при спуске сгорят.

Другим наиболее очевидным ресурсом, который позволил бы аппарату «обрасти» сгорающей защитой, является вывозимый со станции мусор. Одним из основных условий того, чтобы «Прогресс», так или иначе, не уничтожался, является решить проблему с мусором. Нецелесообразно тратить четырехтонный аппарат только для ликвидации 1 тонны мусора. Для его вывоза нужен контейнер. Контейнер – мертвый груз. Необходимо, чтобы 100% того, что выбрасывается, являлось мусором. То есть, чтобы мусор удерживал сам себя, тормозился и сгорал в атмосфере.

Особенность орбитальных объектов – все, что туда доставляется должно выполнять свою целевую функцию от начала и до конца. То есть, имеющийся в настоящее время цикл далек от идеала. Идеал в нашем случае – это система, которая не дает отходов, либо использует отходы так, что они образуют собственный цикл, оборот, поток.

Следовательно, необходимо разработать технологию упаковки «Прогресса» или каких-то его частей в мусор, в отходы, причем так, чтобы при спуске они сгорали, а сам аппарат – нет.

Относительное количество отходов от космической деятельности со временем постепенно снижается. Этому способствует совершенствование технологий жизнеобеспечения на орбитальных станциях, увеличение срока службы спутников. Увеличивается доля энергии, получаемая от Солнца. Ведется разработка безотходных циклов получения энергии. Эта тенденция закономерна и является путем повышения идеальности применяемых систем. И тогда, через некоторое время, вместо отходов со станции можно будет использовать просто космический мусор для того, чтобы переоборудовать его в сгорающее защитное покрытие.

По мере наращивания потенциала МКС может использоваться, в том числе, в качестве:

  • транспортного узла для размещения, сборки, подготовки и отправки по назначению полезных грузов и транспортных средств;
  • служебного комплекса, обеспечивающего обслуживание, ремонт, пополнение и переоборудование полезных грузов и транспортных средств;
  • сборочного комплекса, обеспечивающего сборку и отладку крупногабаритных космических конструкций и систем.1

МКС изначально приписывалась функция сборочного комплекса, узла размещения, системы переоборудования. То есть, уже сейчас есть возможность начать отработку подобных действий на МКС. Первые шаги по внедрению технологий, которые ждут нас в уже не столь отдаленном будущем, нужно начинать сейчас. Это вдвойне справедливо в отношении кораблей «Прогресс», которые в большом количестве к нашим услугам.

Обратимся к проекту солнечной энергетической установки для «производства ракетного топлива и кислорода из воды в космических условиях»2. В нем указывается, что «газообразные компоненты ракетного топлива, вырабатываемые в солнечной энергоустановке даже при высоком давлении, имеют небольшую плотность. Для накопления и хранения газообразного топлива необходимы баллоны большого объема, которые занимают много места и имеют значительную массу. Поэтому Солнечная Водяная Двигательная Установка (СВДУ) может эффективно работать только в импульсном режиме»2.

Рисунок 4. Принцип работы Солнечной Водяной Двигательной Установки
Рисунок 4. Принцип работы Солнечной Водяной Двигательной Установки

Аккумуляторные батареи можно не делать, если перейти к другому принципу аккумуляции электроэнергии – разложение воды. Возможна организация этого следующим образом: вместо аккумуляторов и топлива для двигателей возить с собой воду, при этом поместить в ней электрохимический генератор (топливные элементы) и получать водород и кислород. Да, мы вводим в систему новый элемент, но он сразу начинает выполнять 2 функции – аккумуляция энергии и запасание кислорода для дыхания. Водород и кислород можно использовать и для питания основной двигательной установки.

При наличии необходимых запасов воды, необходимо разработать способ крепления герметичного отсека и баков/баллонов грузовика на МКС, а также разъемов стыковки всех емкостей к соответствующим трактам СВДУ. Теперь газ будет накапливаться в баках, баллонах и герметичном грузовом отсеке3. Воду возить технологичнее и проще, чем компоненты топлива. Более того, вода в замороженном виде может транспортироваться без применения баков. Полученную двигательную установку, топливо и кислород использовать для коррекции орбиты станции и ее жизнеобеспечения. Это станет существенным шагом по повышению ее автономности и позволит со временем отказаться от применения аккумуляторных батарей. А между тем они составляют немалую долю в объеме поставок грузов на орбиту.

Таким образом, на корабле «Прогресс» есть возможность провести летные испытания СВДУ. При этом задействуются штатные солнечные батареи и баллоны аппарата после откачки их содержимого на МКС. Также возможно создание модификации грузового корабля с заменой нынешней двигательной установки на СВДУ.

Освободившееся место из-под баков и баллонов в отсеке компонентов дозаправки может быть заполнено мусором для его вывоза стандартным образом (рис. 5).

Рисунок 5. Возможная схема размещения в аппарате мусора
Рисунок 5. Возможная схема размещения в аппарате мусора

При анализе работы ГКК «Прогресс» выяснилось, что его двигательная установка и система управления и ориентации начинают работать только по достижении носителем низкой орбиты. Из этого следует, что необходимо располагать это оборудование в космосе и не возить постоянно с собой. На орбиту же запускать только контейнер с грузом. За счет того, что груз теперь составляет большую часть от полезной нагрузки ракеты (груз + контейнер, а не груз + «Прогресс»)4, будет достигнута почти двукратная экономия.

Есть проект, который описывает возможные средства реализации этого подхода – «Паром». Он представляет собой часть системы, включающей орбитальные средства, космический корабль и другие аппараты, которые предлагаются для реализации Лунной программы. В 2006 году этот проект был отклонен Роскосмосом и практически не финансировался.

Полученные в работе идеи сведены в таблицу 1:

Таблица 1
Грузовой космический корабль «Прогресс»
Разнесение в пространстве той подсистемы, что удерживает груз, и той, которая его перемещает. Двигатель, систему управления и все, что не связано с удержанием груза базировать в космосе
Применять более долговечные съемные солнечные батареи
Применять взрывчатое вещество для целей исследований или изменения траекторий космических объектов (т.е. как источник энергии, чем оно и является)
Выполнить герметичную секцию и баки съемными и заполнять их продуктами разложения воды в топливном элементе за счет энергии Солнца
Использовать «Прогресс» как оружие при его сбросе в атмосферу
Использовать для элементов конструкции твердое топливо (перхлораты, перманганаты, нитроцеллюлозу)
Использовать корпус аппарата, отходы станции и мусор для создания вокруг аппарата сгорающего защитного барьера для его возврата на Землю
Для сброса мусора использовать часть корабля, остающуюся после разгрузки и отстыковки баков и баллонов

Причиной того, что ГКК «Прогресс» без радикальных изменений эксплуатируется уже 30 лет, является тот факт, что затраты на его эксплуатацию в цикле работы надсистемы (орбитальная станция, груз, экология) составляют малую долю от затрат на другие элементы надсистемы. Стоимость запуска всей ракеты-носителя вместе с ГКК стоит обычно меньше выводимого ею груза. Поэтому, учитывая безотказную работу, нет стимула для серьезного изменения существующей системы.

Описанные выше способы совершенствования грузовых систем найдут свое применение только когда затраты на них станут более ощутимыми. Это произойдет после повышения грузопотока на орбиту, который может быть связан с Лунной или Марсианской программой, либо созданием более крупных орбитальных станций, увеличения количества туристов, появления космических производств.

Подводя итог сказанному выше, можно сделать следующий прогноз развития грузовых космических кораблей:

1. Переход на проект «Паром» произойдет в ближайшее время, как только появятся грузопотоки, соответствующие его эффективному использованию.

2. Поскольку работа в космосе будет носить все более массовый характер, отдельно взятые элементы этой надсистемы будут все более и более согласовываться друг с другом. Это означает согласование взаимодействия, согласование состава подсистем, времени работы, появление взаимозаменяемости. Все большее число операций с космическими кораблями и аппаратами будет проводиться в космосе.

3. Основной диапазон грузов, который поставляется – источники энергии, топливо, технические газы, воздух, аккумуляторы энергии, воду, пищу. Выше было указано на то, что как вода может вобрать в себя свойства и источника энергии, и кислорода. Поэтому постепенно на орбиту будет поступать все больше воды, а значит будут совершенствоваться в первую очередь способы ее доставки. Не исключено, что все, кроме воды, будет поставляться в пилотируемых полетах или в составе целевых космических аппаратов. А поставки воды будут проводить наиболее дешевым и технологичным способом. Следовательно, грузовые космические корабли со временем передают все свои функции элементам надсистемы.

Дополнительные манипуляции на орбите наталкиваются на надсистемные ограничения, связанные с надежностью. Пока не появится серьезный финансовый стимул отрабатывать технологии их проведения, ситуация с применением грузовых космических кораблей не изменится.

Литература

1. Известия Академии Наук. Энергетика. №1, Москва, 2006 г. 180 стр.

2. Селюцкий А.Б. Правила игры без правил. Техника-Молодежь-Творчество. Петрозаводск, 1989г. 280 стр.

3. Гущин В.Н. Основы устройства космических аппаратов. Москва, «Машиностроение», 2003 год. 272 стр.

4. Космонавтика: Энциклопедия. Гл. ред. Глушко В.П. Москва, «Советская Энциклопедия», 1985. 528 стр.


1 http://gctc.ru/iss/index.html [вернуться]
2 Известия Академии Наук. Энергетика. №1, 2006 г. стр. 70 [вернуться]
3 В условиях околоземного пространства газообразное кислород-водородное топливо в герметичных баках может храниться без потерь неограниченное время. [вернуться]
4 Для сравнения: «Прогресс», который доставляет на МКС 2.3 т полезного груза, требует 4.7 т на все остальное. При этом масса приборно-агрегатного отсека составляет 2.8 т. Если он будет базироваться в космосе, то «мертвый» груз снизится до максимум 1.9 т, что соответствует суммарной массе грузового отсека и отсека компонентов дозаправки. [вернуться]

Главная    Конференция     Зачем мы тормозим "Прогресс"?