Încercarea #2. Racheta americană LEGO
Cred că mulți pasionați de astronautică care sunt interesați activ de istorie și starea actuală a lucrurilor în domeniul explorării și explorării spațiului cosmic, au recunoscut deja racheta descrisă în fotografia de titlu.
Această rachetă, sau mai precis, racheta de amplificare, este cea mai mare rachetă cu combustibil solid creată vreodată de omenire.
Ei bine, acum a devenit și mai mult.
Acesta este booster-ul lateral al sistemului Space Shuttle, care acum a devenit și mai mare, primind, pe lângă cele patru secțiuni standard cu care s-a lansat cu Space Shuttle, o a cincea secțiune suplimentară, care îi va permite să devină o rachetă. amplificator pentru noul sistem de lansare spațială super-greu al NASA numit SLS (Space Launch System).
Acest sistem, conform ideii NASA, ar trebui să returneze palma Statelor Unite ale Americii în toate aspectele explorării spațiului cosmic, pe parcurs oferind întregii omeniri posibilitatea de a se întoarce la frontiera spațială, rupând în cele din urmă cercul vicios al orbita joasă a Pământului și punerea din nou pe ordinea de zi a problemei explorării Lunii și... chiar și a lui Marte.
Cât de realist și cât de fezabil este acest program ambițios? Să încercăm să ne dăm seama.
Dimensiuni comparative ale sistemelor de lansare istorice, moderne și americane în curs de dezvoltare.
O întrebare scurtă: de ce este Delta IV mai mare decât Falcon 9?
Starea actuală a astronauticii americane după plecarea sistemului navetei spațiale de pe arenă este mai degrabă deplorabilă: cel mai greu vehicul de lansare la dispoziția Statelor Unite în prezent este Delta IV Heavy, care poate fi pus pe orbita joasă a Pământului (LEO). o sarcină de 28,4, XNUMX tone.
Familia Delta IV, în ciuda multor eforturi de proiectare, inginerie și comerciale ale Boeing pentru a-și crea și promova descendenții pe piață, s-a dovedit a fi „la momentul nepotrivit și în locul nepotrivit”: pe fundalul costului redus. de lansare a rachetei rusești Proton și ucraineană Zenit-3SL, costul lansării unei sarcini utile folosind Delta IV s-a dovedit a fi complet insuportabil.
O singură lansare a Deltei IV a costat 140-170 de milioane de dolari, în timp ce costul Protonului, similar ca sarcină utilă, a fost de aproximativ 100 de milioane de dolari, iar costul lansării unui Delta IV ucrainean mai mic, dar competitiv, „Zenith-3SL”. " a fost chiar mai mică - doar 60 de milioane de dolari.
Un cost atât de mare al lansării Delta IV a forțat Boeing să caute comenzi exclusiv de la stat pentru aceasta și, ca urmare, toate lansările Delta, cu excepția uneia, au fost plătite de Departamentul de Stat al bugetului american.
Lansarea vehiculului de lansare „Delta IV” în varianta Heavy. Greutatea de pornire este de aproximativ 733 de tone.
În cele din urmă, la mijlocul anilor 2000, Delta IV a părăsit în sfârșit din segmentul comercial al lansărilor spațiale - și nu s-a putut întoarce acolo până acum, când băieții de la magazinul privat SpaceX, a cărui rachetă Falcon 9 s-a apropiat și ea de Nișa de piață Delta IV și o modificare a aceleiași rachete numită Falcon 2015 Heavy, programată pentru lansare în 9, chiar a depășit-o.
La pornirea lui Falcon 9 Heavy, se vor porni imediat 27 de motoare Merlin cu o tracțiune de 66 de tone fiecare, care funcționează cu kerosen și oxigen.
Această creație a lui Elon Musk ar trebui să aducă programul spațial „privat” al SpaceX la o înălțime de neatins: pentru o versiune unică a vehiculului de lansare, masa încărcăturii de ieșire către LEO va fi de până la 53 de tone, la GPO. - 21,2 tone și la traiectoria spre Marte - 13,2 tone. Odată cu revenirea amplificatoarelor laterale și a unității centrale, capacitatea de transport nu va depăși 32 de tone per LEO - trebuie să plătiți pentru reutilizarea vehiculului de lansare cu un consum suplimentar de combustibil și, ca urmare, o scădere a sarcinii utile.
Printre inovațiile tehnice în dezvoltarea lui Falcon 9 Heavy, dezvoltatorul a anunțat posibilitatea unică de a revărsa combustibil și oxidant în timpul zborului de la amplificatoarele laterale în prima etapă a vehiculului de lansare, ceea ce va face posibilă existența rezervoarelor de combustibil pline de secțiunea centrală la momentul separării amplificatoarelor laterale și îmbunătățirea performanței sarcinii utile puse pe orbită.
Asamblarea corpurilor primelor etape ale rachetelor Falcon 9. Acum sunt deja instalate 8 motoare în cerc, cu unul central. În aglomerație, dar nu nebună.
„Traiectoria către Marte” menționată în ultimul paragraf nu este o abstractizare. Cu o greutate de lansare de 1 de tone, de două ori mai mult decât masa Delta IV, care în prezent bate recordul, greul Falcon este deja piatra necesară care vă permite să vă gândiți serios la zborurile către Lună și Marte. Deși într-o configurație care seamănă mai mult cu experimentele sovietice cu seria de vehicule Zond decât cu colosalul program american Saturn-Apollo.
Cu toate acestea, în drum spre vârf, conceptele Delta IV și Falcon 9 cu amplificatoare laterale, care sunt „clone” ale primelor lor etape, încep să alunece așa cum era de așteptat.
Chestia este că este imposibil să înmulțiți la infinit „laturile” de pornire, care vă permit să creșteți masa încărcăturii afișate pe LEO - două sau patru blocuri laterale pot fi încă atașate cumva de cel central, dar apoi complexitatea asamblării și gestionării unei astfel de structuri multicomponente crește exponențial.
În general, pe aceasta a fost „umplut” racheta lunară regală N-1, în care 30 de motoare de rachete NK-33 se aflau pe prima etapă, care, împreună cu schema în cinci etape a rachetei în sine, nu a permis să rezolve până la capăt toate întrebările legate de lansarea sa fără probleme.
Configurația actuală a lui Falcon 9, care începe imediat cu 27 de motoare, este deja aproape de limita complexității și mai departe, cel mai probabil, compania lui Elon Musk va trebui deja să mărească masa și dimensiunea unei singure unități de rachetă, care crește imediat. cerințele de-a lungul întregului lanț de producție, transport și lansare de rachete.
Promițătoarea familie rusă de rachete Angara este probabil să se confrunte cu probleme similare. Dimensiunea relativă mică a unui singur bloc duce deja la faptul că racheta Angara-A5 cu o greutate de lansare de 733 de tone trebuie imediat echipată cu patru „părți” de accelerare (cu o capacitate de încărcare de 24,5 tone la LEO).
Angara-A5 înainte de lansare pe 23 decembrie 2014. La pornire funcționează cinci motoare RD-191, fiecare cu o tracțiune de 196 de tone.
O creștere suplimentară a capacității de transport a Angara se bazează pe faptul că nu patru, ci șase propulsoare de rachetă trebuie atașate la secțiunea de bază a celei de-a doua etape, care, poate, este deja un fel de limită structurală și inginerească pentru sistemele de pachete de scalare, ca limită pentru conceptul Falcon 9 sunt 27 de motoare Merlin-1D pe trei blocuri de lansare.
Proiectul Angara-A7 rezultat va putea, conform calculelor, cu propria sa greutate de pornire de 1370 de tone, să lanseze o sarcină utilă de 50 de tone către LEO (în cazul utilizării combustibilului hidrogen pentru etapa a doua), care va fi cel mai probabil fi scalarea maximă a conceptului de rachetă familia Angara.
Comparație între „Angara A5” și conceptele „Angara A7” - cu combustibilul cu kerosen și hidrogen. În același timp, iată răspunsul - de ce Delta IV este mare, iar Falcon 9 este mic.
În general, orice s-ar putea spune, concepte bazate pe un bloc de rachete de 200 sau chiar 400 de tone, încă se dovedește că limita structurală și de inginerie Karachun pentru astfel de rachete „pachet” vine la o greutate de lansare de aproximativ 1300- 1500 de tone, care corespunde masei de ieșire la 45-55 de tone per LEO.
Dar atunci este deja necesar să se mărească atât forța unui singur motor, cât și dimensiunea etapei de rachetă sau a rapelului.
Și exact așa merge proiectul SLS astăzi.
În primul rând, ținând cont de experiența negativă a lui Delta IV, dezvoltatorii SLS au încercat să profite la maximum de evoluțiile trecute. Totul și totul a intrat în acțiune: rachetele de amplificare a navetei spațiale, care au fost întărite în scopul creării unei rachete grele, și vechile motoare RS-25 cu hidrogen-oxigen ale navetei în sine, care au fost instalate pe a doua etapă și . ... (susținătorii teoriei „conspirație lunară - pregătiți-vă!) motoarele de mult timp uitate de hidrogen-oxigen J-2X, care provin din motoarele celei de-a doua și a treia etape ale rachetei lunare Saturn V și care sunt propuse a fi folosit în etapele superioare SLS proiectate!
Mai mult, planurile pe termen lung de îmbunătățire a amplificatoarelor SLS implică două proiecte concurente care utilizează motoare cu propulsie lichidă în loc de motoare de rachetă cu combustibil solid: proiectul companiei Aerojet, care și-a prezentat motorul său AJ1E6 cu ciclu închis cu kerosen-oxigen în curs de dezvoltare pentru viitor ". transportoare grea", care provine din rachetele NK- 33 Royal H-1 - și proiectul Pratt & Whitney Rocketdyne, care propun... (și din nou, surpriză, sceptici lunari!) Pentru a restabili producția de motoare F-1 în SUA, care la un moment dat a ridicat faimoasa rachetă Saturn V de pe Pământ”.
Poate că viața se va întoarce din nou pe aceste bancuri de testare. Testarea primei etape a vehiculului de lansare Saturn V - Saturn 1C în august 1968 pe standul ciclopic B-2. Rețineți că scena este transportată pe o barjă.
Participă la dezvoltarea unui viitor propulsor de lansare promițător și actualul producător de propulsoare cu combustibil solid care se află pe ansamblul inițial al vehiculului de lansare SLS, Block I - ATK (Alliant Techsystems), care și-a propus să mărească și mai mult rapelul existent al navetei spațiale. , marindu-i lungimea si diametrul . Proiectul unui accelerator promițător de la ATK se numește „Black Knight” (Dark Knight).
Ei bine, ca o cireasa pe tort - una dintre viitoarele configuratii ale sistemului SLS, Block Ib, presupune folosirea unui bloc hidrogen-oxigen imprumutat de la... racheta Delta IV ca a treia etapa!
Acesta este, știți, „LEGO-ul infernal” în care NASA a încercat să evalueze, să combine și să folosească toate evoluțiile existente în domeniul rachetelor grele.
Ce este familia operatorului SLS? Într-adevăr, așa cum ne amintim deja din exemplul Delta IV, Angara și Falcon 9, dimensiunile generale pot fi înșelătoare.
Deci, iată o diagramă simplă pentru a înțelege ce a fost intenționat:
În partea stângă a diagramei sunt vehicule grele de lansare care au existat până acum în Statele Unite. Saturn V lunar, care ar putea livra o sarcină utilă de 118 tone către LEO, și Naveta spațială, care părea să pună pe orbită naveta reutilizabilă cu o greutate de la 120 la 130 de tone, dar în același timp putea livra cu ea doar o cantitate foarte modestă. sarcină utilă - doar 24 de tone de sarcină utilă.
Conceptul SLS va fi implementat în două versiuni fundamentale: cu echipaj (crew) și fără pilot (marfă).
În plus, indisponibilitatea a trei proiecte promițătoare de propulsoare de rachete de la Aerojet, Rocketdyne și ATK obligă NASA să folosească acele „piese LEGO pentru rachete” care sunt disponibile - și anume aceleași propulsoare îmbunătățite de cinci secțiuni ale Navei Spațiale.
„Carrierul ersatz” de tranziție construit în acest fel (numit oficial SLS Block I), însă, conform tuturor calculelor, va avea deja o capacitate de transport mult mai serioasă decât Delta IV operațional sau Falcon 9 Heavy gata de lansare. Vehiculul de lansare SLS Block I va putea ridica o sarcină utilă de 70 de tone către LEO.
În comparație cu conceptul SLS, sunt prezentate dezvoltările oprite ale NASA în cadrul programului Constellation - vehiculul de lansare Ares (Marte), care nu a fost creat până la capăt, care a efectuat un singur zbor de testare în 2009, în designul Ares 1X, constând a aceluiași propulsor modificat al navetei spațiale din patru secțiuni, la care au fost atașate o sarcină de probă a celui de-al cincilea segment și o sarcină simulată a celei de-a doua etape. Scopul acelui zbor de testare a fost acela de a testa funcționarea primei etape cu combustibil solid în aspectul „single stick” (“bușten”), cu toate acestea, ceva trebuie să se fi întâmplat în timpul testelor, când etapa 1 și 2 au fost separate, a avut loc un salt neautorizat înainte al etapei 1, cauzat, se pare, de arderea fragmentelor de combustibil rupte de împingerea în ea. În cele din urmă, amplificatorul de combustibil solid a ajuns din urmă cu macheta etapei a 2-a și l-a lovit.
După aceea, o încercare destul de nereușită de a asambla un „nou LEGO” din piese vechi a fost oprită la NASA, proiectul Ares și Constellation în sine au fost aruncate pe raftul conceptelor nereușite și din restanța dezvoltată în cadrul Constellation, a mai rămas doar o navă spațială orbitală cu echipaj destul de reușită „Orion, care a fost construită conform schemei obișnuite de capsulă de întoarcere pentru navele de unică folosință, care a pus în cele din urmă capăt planurului reutilizabil al Navei Spațiale.
Nava spațială Orion înainte de prima lansare pe o rachetă Delta IV. decembrie 2014
Diametrul navei Orion este de 5,3 metri, masa navei este de aproximativ 25 de tone. Volumul intern al navei Orion va fi de 2,5 ori mai mare decât volumul intern al navei spațiale Apollo. Volumul cabinei navei este de aproximativ 9 m³. Datorită unei mase atât de impresionante pentru o navă orbitală și a volumului intern liber, Orion poate oferi suport vital pentru 6 astronauți în timpul misiunilor apropiate de Pământ pe orbite joase (de exemplu, într-o expediție pe ISS).
Cu toate acestea, așa cum sa menționat deja la început, principala sarcină pentru Orion, și pentru a-l pune pe orbite dincolo de sistemul de lansare de referință scăzută SLS, este de a readuce Statele Unite în sarcina de a dezvolta spațiul îndepărtat din apropierea Pământului și, mai întâi dintre toate, Luna și Marte.
În zborul către Lună și, eventual, către Marte, sunt calculate principalele eforturi ale Statelor Unite și Rusiei în îmbunătățirea navelor spațiale și a vehiculelor de lansare.
Aici, în principiu, într-o formă tabelară convenabilă, este analizată diferența dintre sistemul american Orion și sistemul rus PPTS.
Pentru numele PPKS PPTS, desigur, trebuie să învingi pe cineva imediat, dar ei bine. Și în general, din păcate, totul este încă foarte complicat cu proiectul PCA.
Prin urmare, în ceea ce privește PPTS, avem până acum doar poze amuzante din expoziție. Dar, în realitate, s-a făcut puțin până acum...
Există doar un aspect - între trecut și viitor. Există doar un aspect - țineți-l...
Pe lângă problemele de finanțare, o înțelegere greșită a conceptului și o serie de probleme de proiectare și inginerie, viitorul PPTS este, de asemenea, incert din cauza lipsei unui vehicul de lansare adecvat pentru unele dintre sarcinile sale planificate. După cum am spus deja, până acum Rusia are doar Angara-A5 „în metal”, care poate aduce nu mai mult de 24,5 tone la LEO, ceea ce este suficient pentru misiunile în apropierea Pământului, dar deja absolut insuficient pentru un alt atac pe Lună. sau Marte.
În plus, conceptul de PPTS s-a bazat pe crearea unei alternative la rachetele Angara din familia Rus-M, lucrări la care deocamdată au fost și ele oprite.
Proiecte de rachete ale familiei Rus în comparație cu familiile Soyuz și Angara.
Scopul principal al rachetelor din familia „Rus” a fost acela de a asigura zboruri cu echipaj, datorită cărora racheta, toate celelalte lucruri fiind egale, are o sarcină utilă mai mică pe LEO decât rachetele din familia „Angara”. Acest lucru se datorează faptului că, în timpul zborurilor cu echipaj, una dintre cerințe este capacitatea vehiculului de lansare de a părăsi lansarea chiar dacă unul dintre motoare se defectează și cerința de a asigura continuarea zborului în cazul unei defecțiuni ulterioare. a unuia dintre motoare - cu continuarea lansării navei spațiale pe o orbită joasă sau oferirea de salvare și o aterizare în siguranță.
Aceste cerințe, inclusiv o traiectorie specială de retragere, care ar trebui să asigure o supraîncărcare pentru echipaj de cel mult 12 g pentru orice situație de urgență și prezența unui sistem de salvare de urgență (SAS), conduc la o reducere semnificativă a capacității de transport a Rus în versiunea cu echipaj.
În plus, diametrul de proiectare al unității de bază a Rusiei, de 3,8 metri, a fost ales pe baza transportului tradițional pentru URSS și Rusia a părților vehiculelor de lansare pe calea ferată.
În Statele Unite, în schimb, pornind de la programul Saturn-Apollo, primele etape ale vehiculelor de lansare au fost realizate în funcție de dimensiunea corespunzătoare, ținând cont de posibilitatea transportării acestora prin transport pe apă (costor-mare și fluvial). , ceea ce a simplificat foarte mult cerințele pentru dimensiunile unui bloc de rachete separat .
Transportul primei etape a vehiculului de lansare Saturn V pe barja râului Pearl.
Astăzi, lucrările la SLS și la Orion, chiar și după prăbușirea Constelației, sunt în plină desfășurare.
După finalizarea lucrărilor la Blocul I SLS, care se va baza aproape în întregime pe restanța existentă a navetei spațiale, NASA intenționează să treacă la următoarea etapă, mult mai ambițioasă - Blocul SLS II, cu opriri intermediare sub forma blocului SLS Ia și Blocul SLS Ib.
Opțiune de construcție LEGO dacă rachetele de amplificare sunt gata mai devreme. Blocul I, Blocul Ia și apoi Blocul II.
Opțiunea de construire LEGO dacă a treia etapă modificată este gata mai devreme. Blocul I, Blocul Ib și apoi Blocul II.
Vehiculul de lansare SLS Block Ia ar trebui să primească deja unele dintre propulsoarele promițătoare de lansare a rachetelor: fie de la Aerojet pe kerosen-oxigen AJ1E6 cu ciclu închis, fie de la Rocketdyne pe F-1 cu ciclu deschis modificat de la Saturn V, sau pe noul „Black Knight” cu combustibil solid de la ATK.
Oricare dintre aceste opțiuni va putea oferi designului Block Ia o capacitate de transport LEO de aproximativ 105 tone, ceea ce este deja comparabilă cu capacitatea de transport a Saturn V și a navetei spațiale (dacă o socotiți împreună cu naveta).
Aceleași sarcini vor fi rezolvate prin crearea unui sistem de lansare la scară largă și adaptat la dimensiunea întregului sistem de lansare a celei de-a treia etape criogenice, care poate completa sistemul bloc I în două etape (amplificatoare de lansare și scena centrală pe Space). Motoare de navetă) cu o a treia treaptă, care pentru varianta Block Ia va fi așa cum am menționat deja, împrumutat de la racheta Delta IV și va asigura și SLS cu o putere de până la 105 tone de sarcină utilă pentru LEO.
Și, în sfârșit, versiunea finală a sistemului Block II ar trebui să primească deja o a treia treaptă de dimensiune completă concepută special pentru masa SLS, care va folosi, la fel ca etapa a doua Saturn V, 5 motoare avansate J-2X și va aduce 130 de tone de sarcină utilă pentru LEO.
Dar chiar și cu toate aceste trucuri, un astfel de „LEGO spațial” va costa aproximativ 500 de milioane de dolari pe lansare, ceea ce, desigur, este mai mic decât costul lansării navetei spațiale (1,3 miliarde de dolari), dar totuși - suficient de sensibil pentru Bugetul NASA.
Ce sarcini ar trebui să rezolve SLS și de ce NASA nu ia în calcul opțiunea Falcon 9 Heavy, care ar trebui să ofere un cost de 135 de milioane de dolari SUA pentru un sistem de unică folosință cu preaplin de combustibil și pentru 53 de tone de sarcină utilă pentru LEO?
Chestia este că NASA a vizat Luna, Marte și chiar asteroizii și lunile lui Jupiter! Și Falcon 9 Heavy se dovedește a fi o rachetă prea mică pentru astfel de sarcini...
Rachetă nucleară - pe Marte!
Dar acesta, desigur, este un subiect pentru un articol bun separat ....
PS. După ce am recitit articolul din nou, vă informez.
Dacă critic abordările moderne ale Rusiei în ceea ce privește explorarea spațiului și îi laud pe americani, atunci există motive întemeiate pentru aceasta.
În 2010, starea programului american de explorare a spațiului era deplorabilă: programul navetei spațiale era deja programat să fie închis, lansările Ares au arătat eșecul complet al ideilor Constellation, toate ziarele și revistele americane scriau despre „sclavia spațială a Rusiei” pentru Statele Unite.
Dar, în ultimii 5 ani, industria spațială din SUA s-a regrupat, a primit finanțarea necesară – și a învățat să trăiască în condiții noi, mai dure.
Se va putea lăuda cosmonautica rusă cu asta peste 5 ani, mai ales pe fondul faptului că anul acesta ne aduce vești proaste despre închiderea programelor de lansare Rus-M și PPTS, amânarea lansării cosmodromului Vostochny și reducerea totală a finanțării pentru Roskosmos?
Așteaptă și vezi. Ne țin degetele cu cruce.
informații