Spațiul rusesc: proiectul „Coroana” și alte dezvoltări ale Centrului Spațial de Stat Makeev
Se crede că tehnologia se dezvoltă întotdeauna treptat, de la simplu la complex, de la un cuțit de piatră la unul de oțel - și abia apoi la o mașină de frezat controlată de program. Cu toate acestea, soarta rachetelor spațiale nu a fost atât de simplă. Crearea de rachete simple și fiabile cu o singură etapă a rămas mult timp inaccesibilă pentru designeri. Erau necesare soluții pe care nici oamenii de știință din materiale, nici cei din propulsie nu le puteau oferi. Până în prezent, 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: conectați fuzelajul cu aripile, așezați cablurile electrice, instalați motoare și, după aterizare, îl veți trimite la o groapă de gunoi... Nu veți zbura departe așa.” ne-au spus dezvoltatorii Statelor Rocket Center. 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 etapă, care nu necesită asamblare, dar ajunge la cosmodrom, este alimentată și lansată. Și apoi se întoarce și începe din nou – și din nou”...
La jumătatea drumului
În general, tehnologia rachetelor a încercat să se descurce cu o etapă încă de la primele proiecte. Schițele inițiale ale lui Tsiolkovsky prezentau doar astfel de structuri. A abandonat această idee abia mai târziu, realizând că tehnologia de la începutul secolului XX nu permitea implementarea acestei soluții simple și elegante. Interesul pentru vehiculele de lansare cu o singură etapă a apărut din nou în anii 1960, iar astfel de proiecte erau dezvoltate 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 transporta astronauți pe Lună.
CORONA ar trebui să devină robotizată și să primească software inteligent pentru sistemul de control. Software-ul va putea fi actualizat direct în zbor, iar într-o situație de urgență se va „revenire” automat la o versiune stabilă de rezervă.
„Această opțiune nu ar fi avut o sarcină utilă prea mare, 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, acest lucru ar fi complet nejustificat.” Abia în ultimele decenii au apărut compozite și tehnologii de lucru cu acestea care fac posibilă realizarea suportului într-o singură etapă și, în plus, reutilizabil. Costul unei astfel de rachete „de înaltă tehnologie” va fi mai mare decât un 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 obiectivul 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 efectuat 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 Makeev Design Bureau. „O astfel de rachetă trebuie să fie reconstruită după fiecare zbor, conexiuni și noi componente de unică folosință instalate... și ne-am întors de unde am început.”
Purtătorii complet reutilizabili rămân până acum doar sub formă de proiecte - cu excepția lui New Shepard de la compania americană Blue Origin. Până acum, racheta cu capsulă cu echipaj este proiectată doar pentru zboruri suborbitale ale turiștilor spațiali, dar majoritatea soluțiilor găsite pot fi extinse pentru un transportator orbital mai serios. Reprezentanții companiei nu își ascund planurile de a crea o astfel de variantă, pentru care sunt deja dezvoltate motoare puternice BE-3 și BE-4. „Cu fiecare zbor suborbital, ne apropiem de orbită”, asigură Blue Origin. Dar promițătorul lor transportator New Glenn nu va fi nici complet reutilizabil: doar primul bloc, creat pe baza designului New Shepard deja testat, ar trebui reutilizat.
Rezistenta materialelor
Materialele din fibră de carbon, necesare pentru rachetele complet reutilizabile și cu o singură etapă, au fost folosite în ingineria aerospațială încă din anii 1990. În aceiași ani, inginerii McDonnell Douglas au început rapid să implementeze proiectul Delta Clipper (DC-X) și astăzi s-ar putea lăuda cu un transportator gata făcut și zburător din fibră de carbon. Din păcate, sub presiunea Lockheed Martin, lucrările la DC-X au fost oprite, tehnologiile au fost transferate la NASA, unde au încercat să le aplice în proiectul nereușit VentureStar, după care mulți ingineri care lucrau pe acest subiect au plecat să lucreze la Blue Origin. , iar compania însăși a fost absorbită de Boeing.
În aceiași ani 1990, Centrul de Cercetare de Stat al Rusiei Makeev a devenit și el interesat de această sarcină. De-a lungul anilor de atunci, proiectul CORONA („Racheta spațială de unică folosință, transportator cu o singură etapă de vehicule [spațiale]”) a cunoscut o evoluție notabilă, iar versiunile intermediare arată cum designul și aspectul au devenit din ce în ce mai simple și mai avansate. 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, atât greutatea, cât și capacitatea de transport s-au schimbat. „Folosind chiar și cele mai bune materiale moderne, este imposibil să construiți o rachetă cu o singură etapă care cântărește mai puțin de 60-70 de tone, iar sarcina sa utilă va fi foarte mică”, spune unul dintre dezvoltatori. „Dar pe măsură ce masa de pornire crește, structura (până la o anumită limită) reprezintă o pondere din ce în ce mai mică, iar utilizarea sa devine din ce în ce mai profitabilă. 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 CORONA, 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 extrem de eficient, care funcționează pe hidrogen și oxigen. Spre deosebire de motoarele din etapele individuale, un astfel de motor de rachetă cu propulsie lichidă trebuie să fie „capabil” să funcționeze în condiții foarte diferite și la diferite altitudini, inclusiv decolare și zbor în afara atmosferei. „Un motor lichid convențional cu duze Laval este eficient doar la anumite intervale de altitudine”, explică designerii Makeevka, „deci am ajuns la necesitatea de a folosi un motor cu propulsie lichidă cu aer”. Jetul de gaz din astfel de motoare se adaptează în sine la presiunea „peste bord” și mențin eficiența atât la suprafață, cât și la înălțime în stratosferă.
Container de sarcină utilă
Până acum nu există nici un motor de lucru de acest tip în lume, deși au fost și sunt studiate atât la noi, cât și în SUA. În anii 1960, inginerii Rocketdyne au testat astfel de motoare pe un banc de testare, dar nu au ajuns niciodată să le instaleze pe rachete. KORONA ar trebui să fie echipată cu o versiune modulară, în care duza cu pană-aer este singurul element care nu are încă un prototip și nu a fost testat. Rusia are, de asemenea, toate tehnologiile pentru producția de piese compozite - acestea au fost dezvoltate și sunt utilizate cu succes, de exemplu, la Institutul All-Russian aviaţie materiale (VIAM) și SA „Compozit”.
Potrivire verticală
Când zboară în atmosferă, structura portantă din fibră de carbon a CORONA va fi acoperită cu plăci de protecție termică dezvoltate la VIAM pentru Burans și îmbunătățite semnificativ de atunci. „Încărcarea termică principală a rachetei noastre este concentrată pe „degetul” acesteia, unde sunt utilizate elemente de protecție termică la temperaturi înalte”, explică designerii. — În același timp, laturile în expansiune ale rachetei au un diametru mai mare și sunt la un unghi ascuțit față de fluxul de aer. Sarcina de temperatură 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, Shuttle reprezintă mai mult de 20%.”
Designul elegant, în formă de con, al transportorului a fost rezultatul nenumăratelor încercări și erori. Potrivit dezvoltatorilor, dacă luăm doar caracteristicile cheie ale unui posibil purtător reutilizabil într-o singură etapă, va trebui să luăm în considerare aproximativ 16 de combinații ale acestora. Designerii au evaluat sute dintre ei în timp ce lucrau la proiect. „Am decis să abandonăm aripile, ca pe Buran sau cu Naveta Spațială”, spun ei. — În general, în straturile superioare ale atmosferei 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 forță de ridicare, care îi permite nu numai să încetinească aici, ci și să manevreze. Acest lucru, la rândul său, face posibilă efectuarea manevrelor necesare la altitudine mare, îndreptându-se spre locul de aterizare, iar în zborul ulterioar nu mai rămâne decât să finalizați frânarea, să reglați cursul și să virați pupa în jos folosind motoare de manevră slabe.
Să ne amintim atât de Falcon 9, cât și de New Shepard: astăzi nu este nimic imposibil sau chiar neobișnuit la aterizarea verticală. În același timp, face posibilă utilizarea mult mai puțină forță în timpul construcției și exploatării pistei - banda pe care au aterizat aceleași navete și Buran trebuia să aibă câțiva kilometri lungime pentru a încetini vehiculul de la o viteză de sute de kilometri pe oră. „CORONA, în principiu, poate chiar să decoleze de pe o platformă offshore și să aterizeze pe ea”, adaugă unul dintre autorii proiectului, „precizia noastră 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.
CORONA 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 proiectării preliminare. „Am trecut prin această etapă aproape în întregime și complet independent, fără sprijin extern. „Am făcut deja tot ce se putea face”, spun designerii. — Știm ce, unde și când ar trebui să fie produs. Acum trebuie să trecem la proiectarea practică, producția și testarea componentelor cheie, iar acest lucru necesită bani, așa că acum totul se reduce la ele.”
Start intarziat
Racheta din fibră de carbon așteaptă doar o lansare pe scară largă; dacă primește sprijinul necesar, designerii sunt gata să înceapă testele de zbor în șase ani și în șapte sau opt ani să înceapă operarea de probă a primelor rachete. Ei estimează că acest lucru ar necesita mai puțin de 2 miliarde de dolari – nu mult după standardele științei rachetelor. În același timp, se poate aștepta o rentabilitate a investiției în termen de șapte ani de la utilizarea rachetei, dacă numărul lansărilor comerciale rămâne la nivelul actual, sau chiar în 1,5 ani - dacă crește la ritmul prevăzut.
Mai mult, prezența pe rachetă a motoarelor de manevră, a mijloacelor de întâlnire și de andocare face posibilă contarea pe scheme complexe de lansare cu mai multe lansări. Cheltuind combustibil nu la aterizare, ci la finalizarea lansării încărcăturii utile, o 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. necesare returului. Dar totuși, reutilizarea este mult mai importantă, ceea ce pentru prima dată ne va scuti de nevoia de a colecta transportatorul înainte de fiecare lansare - și de a-l pierde după fiecare lansare. Numai această abordare poate asigura crearea unui flux de marfă stabil în două sensuri între Pământ și orbită și, în același timp, începutul exploatării reale, active, pe scară largă a spațiului apropiat Pământului.
Ei bine, în timp ce CORONA rămâne în „suspans”, munca la New Shepard continuă. De asemenea, este în curs de dezvoltare un proiect RVT japonez similar. Este posibil ca dezvoltatorii ruși să nu aibă suficient suport pentru a face o descoperire. Dacă aveți câteva miliarde de disponibil, aceasta va fi o investiție mult mai bună decât cel mai mare și mai luxos iaht din lume.
informații