Ruský priestor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Verí sa, že technológie sa vždy vyvíjajú postupne, od jednoduchých po zložité, od kamenného noža po oceľ – a až potom k naprogramovanej fréze. Ukázalo sa však, že osud vesmírnej rakety nie je taký jednoznačný. Vytvorenie jednoduchých, spoľahlivých jednostupňových rakiet zostalo dizajnérom dlho nedostupné.

Požadovali sa riešenia, ktoré nemohli ponúknuť ani vedci z oblasti materiálov, ani inžinieri motorov. Až doteraz sú nosné rakety viacstupňové a jednorazové: neuveriteľne zložitý a drahý systém sa používa niekoľko minút a potom sa vyhodí.

„Predstavte si, že pred každým letom by ste zostavili nové lietadlo: pripojili by ste trup ku krídlam, položili elektrické káble, namontovali motory a po pristátí by ste ho poslali na vrakovisko… Tak ďaleko letieť nemôžete “, povedali nám vývojári State Missile Center. Makeeva. "Ale presne toto robíme vždy, keď posielame náklad na obežnú dráhu." Samozrejme, ideálne by každý chcel mať spoľahlivý jednostupňový „stroj“, ktorý nevyžaduje montáž, ale dorazí na kozmodróm, natankuje a vypustí. A potom sa to vráti a začne znova - a znova "…

Na polceste

Celkovo sa raketová technika snažila vystačiť s jednou fázou od prvých projektov. V počiatočných náčrtoch Tsiolkovského sa práve takéto štruktúry objavujú. Túto myšlienku opustil až neskôr, pretože si uvedomil, že technológie začiatku dvadsiateho storočia neumožňujú realizovať toto jednoduché a elegantné riešenie. Záujem o jednostupňové nosiče sa opäť objavil v 60. rokoch minulého storočia a takéto projekty sa pripravovali na oboch stranách oceánu. V 70. rokoch 20. storočia Spojené štáty pracovali na jednostupňových raketách SASSTO, Phoenix a niekoľkých riešeniach založených na S-IVB, treťom stupni nosnej rakety Saturn V, ktorá dopravila astronautov na Mesiac.

CORONA sa musí stať robotickou a dostať inteligentný softvér pre riadiaci systém. Softvér sa bude môcť aktualizovať priamo za letu a v núdzovej situácii sa automaticky „vráti“na záložnú stabilnú verziu.

"Takáto možnosť by sa nelíšila v nosnosti, motory na to nestačili, ale stále by to bol jeden stupeň, celkom schopný lietať na obežnú dráhu," pokračujú inžinieri. "Samozrejme, ekonomicky by to bolo úplne neopodstatnené." Kompozity a technológie na prácu s nimi sa objavili až v posledných desaťročiach, ktoré umožňujú urobiť nosič jednostupňovým a navyše opakovane použiteľným. Náklady na takúto „vedecky náročnú“raketu budú vyššie ako náklady na tradičnú konštrukciu, no budú „rozložené“na mnohé štarty, takže štartovacia cena bude výrazne nižšia ako bežná úroveň.

Práve znovupoužiteľnosť médií je dnes hlavným cieľom vývojárov. Systémy Space Shuttle a Energia-Buran boli čiastočne opakovane použiteľné. Opakované použitie prvého stupňa sa testuje pre rakety SpaceX Falcon 9. SpaceX má za sebou už niekoľko úspešných pristátí a koncom marca sa pokúsi opäť vypustiť jeden zo stupňov, ktorý letel do vesmíru. „Podľa nášho názoru môže tento prístup len zdiskreditovať myšlienku vytvorenia skutočného opakovane použiteľného média,“poznamenáva Makeev Design Bureau. "Takúto raketu musíte po každom lete ešte vytriediť, nainštalovať spoje a nové jednorazové komponenty… a sme späť tam, kde sme začali."

Plne znovupoužiteľné nosiče sú zatiaľ len vo forme projektov – s výnimkou New Shepard od americkej spoločnosti Blue Origin. Zatiaľ je raketa s pilotovanou kapsulou určená len na suborbitálne lety vesmírnych turistov, no väčšina nájdených riešení v tomto prípade sa dá ľahko škálovať aj na vážnejší orbitálny nosič. Zástupcovia spoločnosti neskrývajú svoje plány na vytvorenie takejto možnosti, pre ktorú sa už vyvíjajú výkonné motory BE-3 a BE-4. "S každým suborbitálnym letom sa približujeme k orbite," uistil Blue Origin. Ich sľubný nosič, New Glenn, však tiež nebude plne znovu použiteľný: mal by byť opätovne použitý iba prvý blok, vytvorený na základe už testovaného dizajnu New Shepard.

Odolnosť materiálu

Materiály CFRP potrebné pre plne opakovane použiteľné a jednostupňové rakety sa v leteckej technike používajú od 90. rokov minulého storočia. V tých istých rokoch začali inžinieri v McDonnell Douglas rýchlo implementovať projekt Delta Clipper (DC-X) a dnes sa mohli pochváliť hotovým a lietajúcim nosičom uhlíkových vlákien. Žiaľ, pod tlakom Lockheed Martin boli práce na DC-X prerušené, technológie boli presunuté do NASA, kde sa ich pokúsili využiť pre neúspešný projekt VentureStar, po ktorom mnoho inžinierov zapojených do tejto témy odišlo pracovať do Blue Origin, a samotnú spoločnosť prevzal Boeing.

V tých istých deväťdesiatych rokoch sa o túto úlohu začal zaujímať ruský SRC Makeev. Odvtedy prešiel projekt KORONA ("Vesmírna raketa, jednostupňový nosič [vesmírnych] vozidiel") znateľným vývojom a stredné verzie ukazujú, ako sa dizajn a usporiadanie stávalo čoraz jednoduchšie a dokonalejšie. Postupne vývojári upustili od zložitých prvkov – ako sú krídla či externé palivové nádrže – a dospeli k názoru, že hlavným materiálom karosérie by mali byť uhlíkové vlákna. Spolu so vzhľadom sa menila hmotnosť aj nosnosť. „S použitím aj tých najlepších moderných materiálov nie je možné postaviť jednostupňovú raketu s hmotnosťou menej ako 60 – 70 ton, pričom jej užitočné zaťaženie bude veľmi malé,“hovorí jeden z vývojárov. - Ale ako štartovacia hmota rastie, štruktúra (do určitej hranice) tvorí stále menší podiel a jej používanie je čoraz výhodnejšie. Pre orbitálnu raketu je toto optimum asi 160 – 170 ton, pričom od tohto rozsahu je už jej použitie opodstatnené.

V najnovšej verzii projektu KORONA je štartovacia hmotnosť ešte vyššia a blíži sa k 300 tonám. Takáto veľká jednostupňová raketa vyžaduje použitie vysoko účinného prúdového motora na kvapalné palivo pracujúceho na vodík a kyslík. Na rozdiel od motorov na samostatných stupňoch musí byť takýto raketový motor na kvapalné palivo „schopný“prevádzky vo veľmi odlišných podmienkach a v rôznych nadmorských výškach, vrátane vzletu a letu mimo atmosféry. "Konvenčný motor na kvapalné palivo s dýzami Laval je účinný len v určitých nadmorských výškach," vysvetľujú dizajnéri Makeyevka, "preto sme dospeli k potrebe použiť raketový motor s klinovým vzduchom." Prúd plynu v takýchto motoroch sa automaticky prispôsobuje tlaku „cez palubu“a zostávajú účinné tak na povrchu, ako aj vysoko v stratosfére.

Nákladný kontajner

Vo svete zatiaľ nie je funkčný motor tohto typu, hoci sa nimi aj u nás aj v USA riešili a riešia. V šesťdesiatych rokoch inžinieri Rocketdyne testovali takéto motory na stojane, ale neprišli k inštalácii na rakety. CROWN by mal byť vybavený modulárnou verziou, v ktorej je klinovo-vzduchová tryska jediným prvkom, ktorý zatiaľ nemá prototyp a nie je odskúšaný. V Rusku sú tiež všetky technológie na výrobu kompozitných dielov – boli vyvinuté a úspešne sa používajú napríklad v All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) a v JSC Kompozit.

Vertikálne prispôsobenie

Pri lietaní v atmosfére bude nosná konštrukcia KORONA z uhlíkových vlákien pokrytá tepelne tieniacimi dlaždicami vyvinutými spoločnosťou VIAM pre Buranov a odvtedy boli výrazne vylepšené.„Hlavné tepelné zaťaženie našej rakety sa sústreďuje na jej „nos“, kde sa používajú prvky tepelnej ochrany pri vysokej teplote,“vysvetľujú dizajnéri. - V tomto prípade majú rozpínajúce sa strany rakety väčší priemer a zvierajú s prúdom vzduchu ostrý uhol. Tepelné zaťaženie na nich je menšie, čo umožňuje použitie ľahších materiálov. Tým sme ušetrili viac ako 1,5 t. Hmotnosť vysokoteplotného dielu nepresahuje 6 % z celkovej hmotnosti tepelnej ochrany. Pre porovnanie, v Shuttles to predstavuje viac ako 20%.

Elegantný zúžený dizajn média je výsledkom nespočetných pokusov a omylov. Podľa vývojárov, ak si vezmete iba kľúčové charakteristiky možného opakovane použiteľného jednostupňového nosiča, budete musieť zvážiť asi 16 000 ich kombinácií. Stovky z nich ocenili dizajnéri pri práci na projekte. "Rozhodli sme sa opustiť krídla, ako na Burane alebo raketopláne," hovoria. - Celkovo vo vyšších vrstvách atmosféry zasahujú iba do kozmických lodí. Takéto lode vstupujú do atmosféry nadzvukovou rýchlosťou, ktorá nie je lepšia ako „železo“a iba pri nadzvukovej rýchlosti sa prepínajú na horizontálny let a môžu sa riadne spoľahnúť na aerodynamiku krídel.

Osovo symetrický tvar kužeľa umožňuje nielen ľahšiu tepelnú ochranu, ale má aj dobrú aerodynamiku pri jazde vo veľmi vysokých rýchlostiach. Už vo vyšších vrstvách atmosféry dostáva raketa vztlak, ktorý jej umožňuje tu nielen brzdiť, ale aj manévrovať. To zase umožňuje vykonávať potrebné manévre vo vysokej nadmorskej výške, smerujúce k miestu pristátia a pri budúcom lete bude potrebné iba dokončiť brzdenie, opraviť kurz a zatočiť dozadu pomocou slabého posunu. motory.

Pripomeňme si Falcon 9 aj New Shepard: na vertikálnom pristátí dnes nie je nič nemožné alebo dokonca nezvyčajné. Zároveň umožňuje obísť sa s výrazne menšími silami pri výstavbe a prevádzke dráhy - dráha, na ktorej pristávali rovnaké Shuttles a Buran, musela mať dĺžku niekoľko kilometrov, aby vozidlo zabrzdilo na rýchlosťou stoviek kilometrov za hodinu. „CROWN môže v princípe dokonca vzlietnuť z pobrežnej plošiny a pristáť na nej,“dodáva jeden z autorov projektu, „finálna presnosť pristátia bude asi 10 m, raketa sa spúšťa na výsuvné pneumatické tlmiče. Zostáva len vykonať diagnostiku, natankovať, umiestniť nový náklad – a môžete opäť lietať.

KORONA sa stále realizuje bez finančných prostriedkov, takže vývojárom Makeev Design Bureau sa podarilo dostať až do posledných fáz návrhu návrhu. „Prešli sme touto fázou takmer úplne a úplne nezávisle, bez vonkajšej podpory. Už sme urobili všetko, čo sa urobiť dalo, - hovoria dizajnéri. - Vieme, čo, kde a kedy sa má vyrábať. Teraz musíme prejsť k praktickému dizajnu, výrobe a vývoju kľúčových jednotiek, a to si vyžaduje peniaze, takže teraz všetko závisí od nich."

Oneskorený štart

Raketa CFRP očakáva iba spustenie vo veľkom meradle, po získaní potrebnej podpory sú dizajnéri pripravení začať letové testy za šesť rokov a za sedem až osem rokov - začať experimentálnu prevádzku prvých rakiet. Odhadujú, že si to vyžaduje menej ako 2 miliardy dolárov – podľa štandardov raketovej vedy nie veľa. Návratnosť investície sa zároveň dá očakávať po siedmich rokoch používania rakety, ak počet komerčných štartov zostane na súčasnej úrovni, alebo aj o 1,5 roka – ak bude rásť projektovaným tempom.

Okrem toho prítomnosť manévrovacích motorov, stretnutí a dokovacích zariadení na rakete umožňuje počítať so zložitými schémami odpaľovania s viacerými štartmi. Tým, že míňate palivo nie na pristátie, ale na pridanie užitočného zaťaženia, môžete ho priniesť na hmotnosť viac ako 11 ton. Potom CROWN zakotví s druhým, „tankerom“, ktorý naplní svoje nádrže ďalším palivom potrebným na návrat. Oveľa dôležitejšia je však opätovná použiteľnosť, ktorá nás po prvýkrát zbaví potreby zbierať médiá pred každým spustením – a po každom spustení ich stratiť. Len takýto prístup môže zabezpečiť vytvorenie stabilného obojsmerného dopravného prúdu medzi Zemou a obežnou dráhou a zároveň začiatok skutočnej, aktívnej, rozsiahlej exploatácie blízkozemského priestoru.

Medzitým CROWN zostáva v limbu, práce na New Shepard pokračujú. Rozvíja sa aj podobný japonský projekt RVT. Ruskí vývojári jednoducho nemusia mať dostatočnú podporu pre prelom. Ak máte pár miliárd nazvyš, je to oveľa lepšia investícia ako aj najväčšia a najluxusnejšia jachta na svete.