Spațiul rusesc

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Se crede că tehnologiile se dezvoltă întotdeauna treptat, de la simplu la complex, de la cuțit de piatră la oțel - și abia apoi la o mașină de frezat programată. Cu toate acestea, soarta rachetelor spațiale s-a dovedit a nu fi atât de simplă. Crearea de rachete simple, fiabile cu o singură etapă pentru o lungă perioadă de timp a rămas inaccesibilă pentru designeri.

Erau necesare soluții pe care nici oamenii de știință din materiale, nici inginerii motoare nu le puteau oferi. Până acum, vehiculele de lansare rămân în mai multe etape și de unică folosință: un sistem incredibil de complex și costisitor este folosit pentru câteva minute și apoi aruncat.

„Imaginați-vă că înainte de fiecare zbor veți asambla un nou avion: ați conecta fuzelajul la aripi, ați așeza cabluri electrice, ați instala motoarele și, după aterizare, l-ați trimite la un depozit de vechituri… Nu puteți zbura atât de departe.”, ne-au spus dezvoltatorii Centrului de Stat de Rachete. Makeeva. „Dar asta este exact ceea ce facem de fiecare dată când trimitem marfă pe orbită. Desigur, în mod ideal, toată lumea ar dori să aibă o „mașină” fiabilă cu o singură treaptă, care nu necesită asamblare, dar ajunge la cosmodrom, alimentată și lansată. Și apoi se întoarce și începe din nou - și din nou …

La jumătatea drumului

În general, racheta a încercat să se descurce cu o etapă din cele mai vechi proiecte. În schițele inițiale ale lui Tsiolkovsky, apar doar astfel de structuri. A abandonat această idee abia mai târziu, realizând că tehnologiile de la începutul secolului XX nu permiteau realizarea acestei soluții simple și elegante. Interesul pentru transportatorii cu o singură etapă a apărut din nou în anii 1960 și astfel de proiecte erau în curs de elaborare de ambele maluri ale oceanului. Până în anii 1970, Statele Unite lucrau la rachete cu o singură etapă SASSTO, Phoenix și mai multe soluții bazate pe S-IVB, a treia etapă a vehiculului de lansare Saturn V, care a livrat astronauți pe Lună.

CORONA trebuie să devină robotizată și să primească software inteligent pentru sistemul de control. Software-ul se va putea actualiza direct în zbor, iar într-o situație de urgență se va „revenire” automat la versiunea stabilă de rezervă.

„O astfel de opțiune nu ar fi diferită în ceea ce privește capacitatea de transport, motoarele nu erau suficient de bune pentru asta, dar ar fi totuși o singură etapă, destul de capabilă să zboare pe orbită”, continuă inginerii. „Desigur, din punct de vedere economic ar fi complet nejustificat”. Compozitele și tehnologiile de lucru cu ele au apărut abia în ultimele decenii, ceea ce face posibilă realizarea suportului într-o singură etapă și, în plus, reutilizabil. Costul unei astfel de rachete „intensive în știință” va fi mai mare decât cel al unui design tradițional, dar va fi „răspândit” pe mai multe lansări, astfel încât prețul de lansare va fi semnificativ mai mic decât nivelul obișnuit.

Reutilizarea media este scopul principal al dezvoltatorilor de astăzi. Naveta spațială și sistemele Energia-Buran au fost parțial reutilizabile. Utilizarea repetată a primei etape este testată pentru rachetele SpaceX Falcon 9. SpaceX a făcut deja mai multe aterizări cu succes, iar la sfârșitul lunii martie vor încerca să lanseze din nou una dintre etapele care au zburat în spațiu. „În opinia noastră, această abordare nu poate decât să discrediteze ideea de a crea un suport real reutilizabil”, notează Biroul de Design Makeev. „Trebuie să rezolvi o astfel de rachetă după fiecare zbor, să instalezi conexiuni și noi componente de unică folosință… și ne-am întors de unde am început”.

Suporturile complet reutilizabile sunt încă doar sub formă de proiecte - cu excepția New Shepard al companiei americane Blue Origin. Până acum, racheta cu capsulă cu echipaj este proiectată doar pentru zboruri suborbitale ale turiștilor spațiali, dar majoritatea soluțiilor găsite în acest caz pot fi ușor scalate pentru un transportator orbital mai serios. Reprezentanții companiei nu își ascund planurile de a crea o astfel de opțiune, pentru care sunt deja dezvoltate motoare puternice BE-3 și BE-4. „Cu fiecare zbor suborbital, ne apropiem de orbită”, a asigurat Blue Origin. Dar transportatorul lor promițător, New Glenn, nu va fi nici pe deplin reutilizabil: doar primul bloc, creat pe baza designului New Shepard deja testat, ar trebui reutilizat.

Rezistenta materialelor

Materialele CFRP necesare pentru rachetele complet reutilizabile și cu o singură etapă au fost folosite în tehnologia aerospațială încă din anii 1990. În aceiași ani, inginerii de la McDonnell Douglas au început rapid să implementeze proiectul Delta Clipper (DC-X) și astăzi se pot lăuda cu un transportator gata făcut și zburător din fibră de carbon. Din păcate, sub presiunea Lockheed Martin, lucrările la DC-X au fost întrerupte, tehnologiile au fost transferate la NASA, unde au încercat să le folosească pentru proiectul nereușit VentureStar, după care mulți ingineri implicați în acest subiect au plecat să lucreze la Blue Origin, iar compania însăși a fost preluată de Boeing.

În aceiași ani 1990, SRC-ul rus Makeev a devenit interesat de această sarcină. De-a lungul anilor de atunci, proiectul KORONA („Rachetă spațială, vehicule transportoare [de spațiu] cu o singură etapă”) a suferit o evoluție notabilă, iar versiunile intermediare arată cum designul și aspectul au devenit din ce în ce mai simple și perfecte. Treptat, dezvoltatorii au abandonat elemente complexe - precum aripi sau rezervoare externe de combustibil - și au ajuns la înțelegerea că materialul corpului principal ar trebui să fie fibra de carbon. Odată cu aspectul, s-au schimbat atât greutatea, cât și capacitatea de transport. „Folosind chiar și cele mai bune materiale moderne, este imposibil să construiești o rachetă cu o singură etapă care cântărește mai puțin de 60-70 de tone, în timp ce sarcina sa utilă va fi foarte mică”, spune unul dintre dezvoltatori. - Dar pe măsură ce masa inițială crește, structura (până la o anumită limită) reprezintă o pondere tot mai mică și devine din ce în ce mai profitabilă utilizarea acesteia. Pentru o rachetă orbitală, acest optim este de aproximativ 160-170 de tone, pornind de la această scară utilizarea sa poate fi deja justificată.”

În cea mai recentă versiune a proiectului KORONA, masa de lansare este și mai mare și se apropie de 300 de tone. O astfel de rachetă mare cu o singură etapă necesită utilizarea unui motor cu reacție cu propulsie lichidă foarte eficient, care funcționează pe hidrogen și oxigen. Spre deosebire de motoarele aflate pe etape separate, un astfel de motor de rachetă cu propulsie lichidă trebuie „să poată” funcționa în condiții foarte diferite și la diferite altitudini, inclusiv decolare și zbor în afara atmosferei. „Un motor convențional cu propulsie lichidă cu duze Laval este eficient doar la anumite intervale de altitudine”, explică designerii Makeyevka, „prin urmare am ajuns la necesitatea de a folosi un motor de rachetă cu aer cu pană”. Jetul de gaz din astfel de motoare se adaptează automat la presiunea „peste bord”, iar acestea rămân eficiente atât la suprafață, cât și la înălțime în stratosferă.

Container de sarcină utilă

Până acum nu există un motor de acest tip funcțional în lume, deși s-a făcut și se ocupă de ele atât la noi, cât și în SUA. În anii 1960, inginerii Rocketdyne au testat astfel de motoare pe un suport, dar nu au ajuns la instalarea pe rachete. CROWN ar trebui să fie echipat cu o versiune modulară, în care duza cu pană-aer este singurul element care nu are încă un prototip și nu a fost testat. Există, de asemenea, toate tehnologiile pentru producția de piese compozite în Rusia - acestea au fost dezvoltate și sunt utilizate cu succes, de exemplu, la Institutul All-Rusian de Materiale de Aviație (VIAM) și la JSC Kompozit.

Potrivire verticală

Când zboară în atmosferă, structura portantă din fibră de carbon KORONA va fi acoperită cu plăci de protecție termică dezvoltate de VIAM pentru Burans și de atunci au fost îmbunătățite considerabil.„Încărcarea termică principală a rachetei noastre este concentrată pe „nasul” acesteia, unde sunt utilizate elemente de protecție termică la temperatură înaltă, - explică designerii. - În acest caz, laturile în expansiune ale rachetei au un diametru mai mare și sunt la un unghi ascuțit față de fluxul de aer. Sarcina termică asupra acestora este mai mică, ceea ce permite utilizarea materialelor mai ușoare. Ca urmare, am economisit mai mult de 1,5 tone. Masa piesei de înaltă temperatură nu depășește 6% din masa totală a protecției termice. Pentru comparație, în navete reprezintă mai mult de 20%."

Designul elegant și conic al suportului este rezultatul nenumăratelor încercări și erori. Potrivit dezvoltatorilor, dacă luați doar caracteristicile cheie ale unui posibil purtător reutilizabil într-o singură etapă, va trebui să luați în considerare aproximativ 16.000 de combinații ale acestora. Sute dintre ele au fost apreciate de designeri în timp ce lucrau la proiect. „Am decis să abandonăm aripile, ca pe Buran sau pe Naveta Spațială”, spun ei. - În mare, în atmosfera superioară, ele interferează doar cu navele spațiale. Astfel de nave intră în atmosferă cu o viteză hipersonică, nu mai bună decât un „fier”, și numai la viteză supersonică trec la zborul orizontal și se pot baza în mod corespunzător pe aerodinamica aripilor.”

Forma conului axisimetric nu numai că permite o protecție termică mai ușoară, dar are și o aerodinamică bună atunci când conduceți la viteze foarte mari. Deja în straturile superioare ale atmosferei, racheta primește o ridicare, care îi permite nu numai să frâneze aici, ci și să manevreze. Aceasta, la rândul său, face posibilă efectuarea manevrelor necesare la mare altitudine, îndreptându-se spre locul de aterizare, iar în viitorul zbor, va fi necesar doar să finalizați frânarea, să corectați cursul și să virați la pupa în jos, folosind o manevră slabă. motoare.

Amintiți-vă atât de Falcon 9, cât și de New Shepard: nu este nimic imposibil sau chiar neobișnuit în aterizarea verticală astăzi. În același timp, face posibil să se descurce cu forțe semnificativ mai puține în timpul construcției și exploatării pistei - pista pe care au aterizat aceleași navete și Buran trebuia să aibă o lungime de câțiva kilometri pentru a frâna vehiculul la o viteză de sute de kilometri pe oră. „CROWN, în principiu, poate chiar să decoleze de pe o platformă offshore și să aterizeze pe ea”, adaugă unul dintre autorii proiectului, „precizia finală de aterizare va fi de aproximativ 10 m, racheta este coborâtă pe amortizoare pneumatice retractabile. Tot ce rămâne este să efectuați diagnostice, să realimentați, să plasați o încărcătură utilă nouă - și puteți zbura din nou.

KORONA este încă în curs de implementare în absența finanțării, așa că dezvoltatorii Biroului de Design Makeev au reușit să ajungă doar la etapele finale ale proiectului de design. „Am trecut de această etapă aproape în întregime și complet independent, fără sprijin extern. Am făcut deja tot ce s-ar fi putut face, - spun designerii. - Știm ce, unde și când ar trebui să fie produs. Acum trebuie să trecem la proiectarea practică, producția și dezvoltarea unităților cheie, iar acest lucru necesită bani, așa că acum totul depinde de ele.”

Start intarziat

Racheta CFRP se așteaptă doar la o lansare la scară largă; după primirea sprijinului necesar, proiectanții sunt gata să înceapă testele de zbor în șase ani și în șapte până la opt ani - să înceapă operarea experimentală a primelor rachete. Ei estimează că acest lucru necesită mai puțin de 2 miliarde de dolari - nu mult după standardele științei rachetelor. În același timp, se poate aștepta o rentabilitate a investiției după șapte ani de utilizare a rachetei, dacă numărul lansărilor comerciale rămâne la nivelul actual, sau chiar în 1,5 ani - dacă crește la ritmurile proiectate.

În plus, prezența motoarelor de manevră, a dispozitivelor de întâlnire și de andocare pe rachetă face posibilă contarea pe scheme complexe de lansare cu mai multe lansări. Cheltuind combustibil nu la aterizare, ci adăugând sarcina utilă, îl puteți aduce la o masă mai mare de 11 tone. Apoi CORONA se va andoca cu al doilea, „cisternă”, care își va umple rezervoarele cu combustibil suplimentar necesar returului. Dar totuși, mult mai importantă este reutilizarea, care pentru prima dată ne va scuti de nevoia de a colecta suportul media înainte de fiecare lansare - și de a le pierde după fiecare lansare. Doar o astfel de abordare poate asigura crearea unui flux stabil de trafic bidirecțional între Pământ și orbită și, în același timp, începutul unei exploatări reale, active, pe scară largă a spațiului apropiat Pământului.

Între timp, COROANA rămâne în limbo, lucrările la New Shepard continuă. Un proiect japonez similar RVT este de asemenea în curs de dezvoltare. Dezvoltatorii ruși pot pur și simplu să nu aibă suficient suport pentru descoperire. Dacă aveți câteva miliarde de rezervat, aceasta este o investiție mult mai bună decât cel mai mare și mai luxos iaht din lume.