System sterowania reakcyjnego

System sterowania reakcyjnego (RCS z ang. Reaction Control System) – zespół niewielkich silników odrzutowych sterujących położeniem statku kosmicznego lub samolotu w sytuacji, kiedy na powierzchnie sterowe nie działają siły aerodynamiczne.

Sytuacje takie to:

• lot w przestrzeni kosmicznej,
• lot w rzadkich warstwach atmosfery,
• brak powierzchni sterowych.

Zadaniem RCS jest sterowanie położeniem w przestrzeni, sterowanie w ogóle, niewielkie zmiany prędkości. To co odróżnia silniki RCS od innych silników rakietowych to niewielka moc i małe rozmiary.

Systemy sterowania reakcyjnego są stosowane:

• podczas manewrów zbliżeniowych w czasie dokowania,
• do utrzymania parametrów orbity,
• do uzyskania określonego położenia w kosmosie,
• do zmiany położenia przed deorbitacją,
• do utrzymania położenia podczas wchodzenia do atmosfery i w atmosferze.

Bell X-1

W 1957 roku jeden z egzemplarzy eksperymentalnego samolotu X-1B został przystosowany do testowania systemu sterowania reakcyjnego. Zostało to zrealizowane w ten sposób, że kilka rakiet zasilanych nadtlenkiem wodoru dobudowano do końcówek skrzydeł oraz do tylnej części kadłuba, poprawiając sterowanie w warunkach zmniejszonego ciśnienia atmosferycznego. Zdobyte wówczas doświadczenie miało znaczenie jeszcze podczas programu X-15. Z powodu problemów finansowych z X-1B, eksperymenty kontynuowano z samolotem F-104.

System RCS w samolocie F-104 A

W 1957 roku seryjny myśliwiec F-104 A został zmodyfikowany poprzez dobudowanie systemu sterowania reakcyjnego zasilanego nadtlenkiem wodoru. RCS zapewniało myśliwcowi sterowność w górnych, rozrzedzonych warstwach atmosfery (pułap lotu F-104 to ok. 25 tys. m), gdzie konwencjonalne powierzchnie sterowe są nieskuteczne.

Rysunek z lewej strony przedstawia naziemne próby systemu sterowania reakcyjnego będącego efektem modernizacji myśliwca F-104.

System RCS w samolocie X-15

North American X-15 – pierwszy lot tego suborbitalnego samolotu odbył się 15 listopada 1960 r. Samolot osiągał wysokość 100 kilometrów, operował w bardzo rzadkich warstwach atmosfery, do lotów balistycznych włącznie. Posiadał silniki rakietowe RCS służące do sterowania położeniem w przestrzeni. Dysze rakiet RCS zasilane nadtlenkiem wodoru umieszczone były w części dziobowej X-15 i służyły do sterowania pochyleniem samolotu i odchyleniem kursu, dysze RCS na skrzydłach zapewniały wykonywanie przechyleń na skrzydło lub obrotów wokół osi wzdłużnej.

System RCS w programie Merkury

Statki kosmiczne programu Merkury osiągały orbitę, ale nie miały w swoim programie spotkań na orbicie. Do deorbitacji służyły trzy silniki hamujące na paliwo stałe, pracowały 10 sekund po czym się wyłączały i zostawały odrzucane odsłaniając osłonę cieplną. Statek kosmiczny Mercury miał trzy silniki RCS zamontowane na kapsule i nie były one od kapsuły odłączane i odrzucane. Służyły do sterowania kapsułą w trzech płaszczyznach. W sąsiedztwie nosa kapsuły umieszczony był spojler i jego zadaniem było spełnianie roli statecznika, czyli zapewnienie aby w atmosferze kapsuła poruszała się osłoną cieplną do przodu (nos z tyłu).

System RCS w programie Gemini

Program Gemini był mostem łączącym programy Merkury i Apollo. Kapsuła użyta w tym programie służyła do doskonalenia następujących operacji:

• manewry na orbicie
• spotkanie na orbicie
• deorbitacja
• wejście do atmosfery
• sterowane opadanie w atmosferze do określonego rejonu wodowania

Statek kosmiczny Gemini składał się z modułu załogowego i adaptera. W końcowej części misji przed wejściem do atmosfery statek kosmiczny był orientowany większą podstawą w kierunku ruchu kapsuły, a astronauci siedzieli skierowani plecami w tym że kierunku. Wszystkie silniki sterowania reakcyjnego znajdowały się w adapterze, który miał kształt ściętego stożka. Przy podstawie o mniejszej średnicy przedłużeniem adaptera był moduł załogowy. Natomiast przy podstawie o większej średnicy znajdowało się 10 silników systemu (OAMS) Orbit Attitude and Maneuver System. Silniki OAMS były używane podczas manewrów zbliżeniowych i podczas łączenia statków kosmicznych. Część adaptera z silnikami OAMS przed wejściem do atmosfery była odłączana i odrzucana odsłaniając cztery hamujące silniki rakietowe na paliwo stałe o ciągu wynoszącym 11 070 N. Zapłon tych silników rozpoczynał operacje deorbitacji kapsuły. W tym czasie położenie kapsuły było sterowane sześcioma silnikami RCS (Re-entry Control System), każdy o ciągu 5,2 N, znajdujących się przy podstawie o mniejszej średnicy (przy module załogowym). Po wypaleniu się paliwa w silnikach hamujących, czyli po zakończeniu inicjacji deorbitacji zostawała odłączana i odrzucana pozostała część adaptera odsłaniając osłonę cieplną przy podstawie modułu załogowego. Dalsze opadanie kapsuły nie było sterowane żadnymi silnikami rakietowymi.

System RCS w programie Apollo

Moduły dysz RCS na module księżycowym. Zdjęcie zostało wykonane na powierzchni Księżyca.

Dysze RCS na module serwisowym

Podczas realizacji programu Apollo systemy RCS zastosowano w Module Dowodzenia, w Module Serwisowym i Module Księżycowym. Moduły księżycowy i serwisowy poruszające się wyłącznie w kosmosie, nigdy nie poddawane naprężeniom aerodynamicznym, posiadały systemy sterowania reakcyjnego, w których zestawy pogrupowane po cztery dysze, były skierowane w różnych kierunkach i wystawały poza obrys statku. Dysze modułów księżycowego i serwisowego, były tak skonfigurowane aby zapewnić sterowanie położeniem w przestrzeni z wymaganą dokładnością, a było to możliwe dzięki umieszczeniu sprzężonych dysz RCS na przeciwległych stronach modułu.

Moduł Dowodzenia statku kosmicznego Apollo, część swojej drogi pokonywał w atmosferze w ekstremalnych warunkach i dlatego jego dysze RCS nie wystawały poza obrys statku kosmicznego.

Zdjęcie modułu dowodzenia programu Apollo z zaznaczonymi dyszami RCS

System RCS na wahadłowcu

Na zespół silników RCS w wahadłowcu składało się 36 podstawowych silników (typu Marquad R-40A) o ciągu w próżni wynoszącym 3870 N każdy, oraz dodatkowych sześciu silników korekcyjnych (typu Marquad R-1E) o ciągu 111,2 N każdy. Przedni RCS dzieli się na moduły prawy, lewy i środkowy. W prawym i lewym module są po 4 dysze podstawowe i po jednej korekcyjnej. W przednim, środkowym module znajduje się 6 dysz podstawowych. Tylny (prawy i lewy) RCS są ulokowane z Orbitalnym Systemem Manewrowym OMS w głowicach OMS/RCS. W każdej głowicy mieści się 10 podstawowych silników i 2 korekcyjne.

Paliwem jest monometylohydrazyna (MMH) i tetratlenek diazotu N₂O₄. Każdy z zespołów posiada własne zbiorniki z paliwem zawierające max 422 kg MMH i 645 kg N₂O₄ (normalnie odpowiednio 388 kg i 621 kg) w przednim module, a 823 i 1318 kg w dwóch tylnych łącznie.

Podczas wchodzenia promu kosmicznego do atmosfery gdy skuteczność powierzchni sterowych osiągała założoną skuteczność, RCS zostawało automatycznie odłączane.

Dysze RCS w promie kosmicznym

• 
• 

System RCS w Space Ship One

Obecnie prowadzone są badania nad testami sterujących silników reakcyjnych w których źródłem ciągu jest siła jaka powstaje podczas rozprężania sprężonego schłodzonego gazu, podtlenku azotu. Testy prowadzone są w komorze próżniowej w celu weryfikacji predyspozycji zarówno azotu jak i podtlenku azotu. Bazując na rezultatach badań parametry wskazują na tlenek azotu jako schłodzonego gazu dla systemów sterowania reakcyjnego niewielkich statków kosmicznych. Taki system sterowania reakcyjnego jest zastosowany w SpaceShip One. Potlenek azotu w jest używany jako utleniacz w hybrydowym rakietowym silniku głównym statku kosmicznego SpaceShipOne.

• Dysze silników reakcyjnych sterujących pochyleniem w płaszczyźnie pionowej, oraz zmiany kursu (w płaszczyźnie poziomej), znajdują się w części dziobowej. U góry i na dole umieszczone są dysze do sterowania pochyleniem, a po obu stronach znajdują się dysze zmiany kursu. Na zdjęciu wspomniane dysze zatkane są zaślepkami opatrzonymi etykietami z napisem "REMOVE" (USUŃ).
• Dysze RCS umieszczone, w przedniej części górnej powierzchni skrzydła, przy krawędzi, służą do sterowania pochyleniami w prawo i w lewo, lub do sterowania obrotami wokół osi x.
• Oto film pokazujący przykład nieprawidłowego działania, lub nieprawidłowego użycia systemu RCS podczas wznoszenia samolotu kosmicznego na rekordową wysokość 98 000 metrów. Zanim pilot opanował samolot, SpaceShipOne wykonał 24 niekontrolowane beczki.

Bibliografia

• Next Generation X-1 (ang.)
• Mercury Atlas 6 (ang.)
• Gemini 8 (ang.)
• Reaction Control System (ang.)