Ruski prostor

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Verjame se, da se tehnologije vedno razvijajo postopoma, od preprostega do zapletenega, od kamnitega noža do jekla - in šele nato do programiranega rezkalnega stroja. Vendar se je izkazalo, da usoda vesoljske rakete ni tako enostavna. Ustvarjanje preprostih, zanesljivih enostopenjskih raket je dolgo časa ostalo nedostopno oblikovalcem.

Zahtevane so bile rešitve, ki jih niti materialni znanstveniki niti inženirji motorjev niso mogli ponuditi. Do zdaj so nosilne rakete ostale večstopenjske in za enkratno uporabo: neverjetno zapleten in drag sistem se uporablja nekaj minut in nato zavrže.

»Predstavljajte si, da bi pred vsakim poletom sestavili novo letalo: priključili bi trup na krila, položili električne kable, namestili motorje, po pristanku pa bi ga poslali na odlagališče … Tako daleč ne morete leteti,« so nam povedali razvijalci Državnega raketnega centra. Makeeva. »Ampak to je točno tisto, kar počnemo vsakič, ko pošljemo tovor v orbito. Seveda bi v idealnem primeru vsi želeli imeti zanesljiv enostopenjski "stroj", ki ne zahteva montaže, ampak prispe na kozmodrom, napolnjen in izstreljen. In potem se vrne in začne znova - in spet "…

Na pol poti

Na splošno se je raketna tehnika skušala izogniti z eno stopnjo iz najzgodnejših projektov. V začetnih skicah Ciolkovskega se pojavljajo prav takšne strukture. To idejo je opustil šele pozneje, saj je spoznal, da tehnologije zgodnjega dvajsetega stoletja ne omogočajo realizacije te preproste in elegantne rešitve. Zanimanje za enostopenjske nosilce se je ponovno pojavilo v šestdesetih letih prejšnjega stoletja in takšni projekti so se razvijali na obeh straneh oceana. Do sedemdesetih let prejšnjega stoletja so ZDA delale na enostopenjskih raketah SASSTO, Phoenix in več rešitvah, ki temeljijo na S-IVB, tretji stopnji nosilne rakete Saturn V, ki je astronavte dostavila na Luno.

CORONA mora postati robotizirana in prejeti inteligentno programsko opremo za krmilni sistem. Programska oprema se bo lahko posodabljala neposredno med letom, v nujnih primerih pa se bo samodejno "vrnila" na stabilno varnostno različico.

"Takšna možnost se ne bi razlikovala po nosilnosti, motorji za to niso bili dovolj dobri, vendar bi bila še vedno ena stopnja, ki bi lahko poletela v orbito," nadaljujejo inženirji. "Seveda bi bilo ekonomsko popolnoma neupravičeno." Kompoziti in tehnologije za delo z njimi so se pojavili šele v zadnjih desetletjih, ki omogočajo, da je nosilec enostopenjski in poleg tega ponovno uporaben. Cena takšne "znanstveno intenzivne" rakete bo višja kot pri tradicionalni zasnovi, vendar bo "razpršena" na številne izstrelitve, tako da bo cena izstrelitve bistveno nižja od običajne ravni.

Prav ponovna uporabnost medijev je danes glavni cilj razvijalcev. Sistema Space Shuttle in Energia-Buran sta bila delno ponovno uporabna. Ponovna uporaba prve stopnje se preizkuša za rakete SpaceX Falcon 9. SpaceX je že opravil več uspešnih pristankov, konec marca pa bodo poskušali znova izstreliti eno od stopenj, ki je poletela v vesolje. "Po našem mnenju lahko ta pristop samo diskreditira idejo o ustvarjanju pravega medija za večkratno uporabo," ugotavlja oblikovalski biro Makeev. "Takšno raketo morate še urediti po vsakem letu, namestiti povezave in nove komponente za enkratno uporabo … in spet smo tam, kjer smo začeli."

Popolnoma uporabni mediji so še vedno le v obliki projektov – z izjemo New Sheparda ameriškega podjetja Blue Origin. Doslej je bila raketa s kapsulo s posadko zasnovana le za suborbitalne lete vesoljskih turistov, vendar je večino rešitev, najdenih v tem primeru, mogoče enostavno prilagoditi za resnejše orbitalne nosilce. Predstavniki podjetja ne skrivajo svojih načrtov za ustvarjanje takšne možnosti, za katero se že razvijata zmogljiva motorja BE-3 in BE-4. "Z vsakim suborbitalnim letom se približujemo orbiti," je zagotovil Blue Origin. Toda njihov obetavni nosilec New Glenn tudi ne bo v celoti ponovno uporabljiv: ponovno je treba uporabiti le prvi blok, ustvarjen na podlagi že preizkušene zasnove New Shepard.

Materialna odpornost

CFRP materiali, potrebni za v celoti ponovno uporabne in enostopenjske rakete, se uporabljajo v vesoljski tehnologiji že od devetdesetih let prejšnjega stoletja. V teh istih letih so inženirji pri McDonnell Douglas hitro začeli izvajati projekt Delta Clipper (DC-X) in se danes lahko pohvalijo s pripravljenim in letečim nosilcem iz ogljikovih vlaken. Žal je bilo pod pritiskom Lockheed Martina delo na DC-X prekinjeno, tehnologije so bile prenesene v NASA, kjer so jih poskušali uporabiti za neuspešen projekt VentureStar, nakar so številni inženirji, ki se ukvarjajo s to temo, odšli delati v Blue Origin, in samo podjetje je prevzel Boeing.

V istih devetdesetih letih se je za to nalogo začel zanimati ruski SRC Makeev. V preteklih letih je projekt KORONA ("Vesoljska raketa, enostopenjski nosilec [vesoljskih] vozil") doživel opazno evolucijo, vmesne različice pa kažejo, kako sta zasnova in postavitev postajali vse bolj preprosti in popolni. Postopoma so razvijalci opustili kompleksne elemente - kot so krila ali zunanji rezervoarji za gorivo - in prišli do razumevanja, da morajo biti glavni material karoserije ogljikova vlakna. Skupaj z videzom sta se spremenili tako teža kot nosilnost. "Z uporabo celo najboljših sodobnih materialov je nemogoče zgraditi enostopenjsko raketo, ki tehta manj kot 60-70 ton, medtem ko bo njena nosilnost zelo majhna," pravi eden od razvijalcev. - Ko pa izhodiščna masa raste, ima struktura (do določene meje) vedno manjši delež in postaja vse bolj donosna uporaba. Za orbitalno raketo je ta optimum približno 160-170 ton, od tega obsega je njegova uporaba že upravičena."

V najnovejši različici projekta KORONA je izstrelitvena masa še večja in se približuje 300 ton, tako velika enostopenjska raketa zahteva uporabo visoko učinkovitega tekočega reaktivnega motorja, ki deluje na vodik in kisik. Za razliko od motorjev na ločenih stopnjah mora tak raketni motor na tekoče gorivo "sposobiti" delovati v zelo različnih pogojih in na različnih višinah, vključno z vzletom in letom izven ozračja. "Konvencionalen tekoči pogon z Lavalovimi šobami je učinkovit le na določenih višinskih območjih," pojasnjujejo oblikovalci Makejevke, "zato smo prišli do potrebe po uporabi klinasto-zračnega raketnega motorja." Plinski curek v takih motorjih se samodejno prilagaja tlaku "overboard" in ostajajo učinkoviti tako na površini kot visoko v stratosferi.

Tovorni zabojnik

Zaenkrat na svetu še ni delujočega tovrstnega motorja, čeprav so se in se z njimi ukvarjajo tako pri nas kot v ZDA. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja so inženirji Rocketdyne testirali takšne motorje na stojalu, vendar niso prišli do namestitve na rakete. CROWN naj bo opremljen z modularno različico, pri kateri je klinasto-zračna šoba edini element, ki še nima prototipa in ni bil testiran. V Rusiji obstajajo tudi vse tehnologije za proizvodnjo kompozitnih delov - razvite in uspešno se uporabljajo, na primer na Vseruskem inštitutu za letalske materiale (VIAM) in v JSC Kompozit.

Navpično prileganje

Pri letenju v ozračju bo nosilna konstrukcija KORONA iz ogljikovih vlaken pokrita s toplotno zaščitnimi ploščicami, ki jih je VIAM razvil za Burane in so od takrat opazno izboljšane."Glavna toplotna obremenitev naše rakete je koncentrirana na njenem" nosu", kjer se uporabljajo visokotemperaturni toplotni zaščitni elementi, - pojasnjujejo oblikovalci. - V tem primeru imajo razširitvene stranice rakete večji premer in so pod ostrim kotom na zračni tok. Toplotna obremenitev na njih je manjša, kar omogoča uporabo lažjih materialov. Posledično smo prihranili več kot 1,5 t. Masa visokotemperaturnega dela ne presega 6 % celotne mase toplotne zaščite. Za primerjavo, v Shuttleh predstavlja več kot 20%."

Elegantna koničasta oblika medijev je rezultat neštetih poskusov in napak. Po mnenju razvijalcev, če vzamete le ključne značilnosti možnega enostopenjskega nosilca za večkratno uporabo, boste morali upoštevati približno 16.000 njihovih kombinacij. Na stotine jih so oblikovalci cenili med delom na projektu. "Odločili smo se, da opustimo krila, kot na Buranu ali Space Shuttle," pravijo. - Na splošno v zgornji atmosferi motijo samo vesoljska plovila. Takšne ladje vstopijo v ozračje s hiperzvočno hitrostjo, ki ni boljša od "železa", in šele pri nadzvočni hitrosti preidejo na vodoravni let in se lahko pravilno zanesejo na aerodinamiko kril."

Osnosimetrična oblika stožca ne omogoča le lažje toplotne zaščite, ampak ima tudi dobro aerodinamiko pri vožnji pri zelo visokih hitrostih. Že v zgornjih plasteh ozračja raketa prejme dvig, ki ji omogoča ne samo zaviranje, ampak tudi manevriranje. To pa omogoča izvedbo potrebnih manevrov na veliki višini, ki se usmerijo proti mestu pristanka, v prihodnjem letu pa bo treba le dokončati zaviranje, popraviti smer in zaviti navzdol s šibkim ranžiranjem. motorji.

Spomnimo se tako Falcona 9 kot New Sheparda: danes pri vertikalnem pristanku ni nič nemogočega ali celo nenavadnega. Hkrati pa omogoča prehod z bistveno manj silami med gradnjo in obratovanjem vzletno-pristajalne steze - vzletno-pristajalna steza, na kateri so pristali isti Shuttleji in Buran, je morala biti dolga nekaj kilometrov, da je vozilo zaviralo pri hitrost več sto kilometrov na uro. »CROWN načeloma lahko celo vzleti z morske ploščadi in pristane na njej,« dodaja eden od avtorjev projekta, »končna natančnost pristajanja bo približno 10 m, raketa se spusti na izvlečne pnevmatske blažilnike. Ostaja le, da opravite diagnostiko, napolnite gorivo, postavite nov tovor - in spet lahko letite.

KORONA se še vedno izvaja brez financiranja, zato je razvijalcem oblikovalskega biroja Makeev uspelo priti le do končne faze osnutka zasnove. »To fazo smo prehodili skoraj v celoti in popolnoma samostojno, brez zunanje podpore. Naredili smo že vse, kar bi lahko, - pravijo oblikovalci. - Vemo, kaj, kje in kdaj naj bi bilo proizvedeno. Zdaj moramo preiti na praktično načrtovanje, proizvodnjo in razvoj ključnih enot, to pa zahteva denar, zato je zdaj vse odvisno od njih."

Zakasnjen začetek

Raketa CFRP pričakuje le obsežno izstrelitev, po prejemu potrebne podpore so konstruktorji pripravljeni začeti preizkuse letenja v šestih letih in čez sedem do osem let - začeti eksperimentalno delovanje prvih raket. Ocenjujejo, da to zahteva manj kot 2 milijardi dolarjev - po standardih raketne znanosti ni veliko. Hkrati je mogoče pričakovati povračilo naložbe po sedmih letih uporabe rakete, če bo število komercialnih izstrelitev ostalo na sedanji ravni, ali celo čez 1,5 leta – če bo raslo s predvideno hitrostjo.

Poleg tega prisotnost motorjev za manevriranje, naprav za srečanje in pristajanje na raketi omogoča računanje na zapletene sheme izstrelitve z več izstrelitvami. Če gorivo ne porabite za pristanek, temveč za dodajanje tovora, ga lahko pripeljete do mase več kot 11 ton. Nato bo KRONA pristala z drugim, "tankerjem", ki bo svoje rezervoarje napolnil z dodatnim gorivom, potrebnim za vrnitev. Še vedno pa je veliko pomembnejša ponovna uporabnost, ki nas bo prvič razbremenila potrebe po zbiranju medijev pred vsakim zagonom – in jih izgubili po vsakem zagonu. Le takšen pristop lahko zagotovi ustvarjanje stabilnega dvosmernega prometnega toka med Zemljo in orbito ter hkrati začetek resničnega, aktivnega, obsežnega izkoriščanja obzemeljskega vesolja.

Medtem pa KRONA ostaja v limbu, delo na New Shepardu se nadaljuje. Razvija se tudi podoben japonski projekt RVT. Ruski razvijalci morda preprosto nimajo dovolj podpore za preboj. Če imate na voljo nekaj milijard, je to veliko boljša naložba kot celo največja in najbolj luksuzna jahta na svetu.