Vene ruum

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Arvatakse, et tehnoloogiad arenevad alati järk-järgult, lihtsast keeruliseks, kivinoast teraseni – ja alles siis programmeeritud freespinki. Kosmoserakettide saatus ei osutus aga nii sirgjooneliseks. Lihtsate ja töökindlate üheastmeliste rakettide loomine jäi disaineritele pikka aega kättesaamatuks.

Nõuti lahendusi, mida ei materjaliteadlased ega mootoriinsenerid ei suutnud pakkuda. Seni on kanderaketid jäänud mitmeastmeliseks ja ühekordseks kasutamiseks: uskumatult keerulist ja kallist süsteemi kasutatakse mõne minuti ja visatakse seejärel minema.

"Kujutage ette, et enne iga lendu panete kokku uue lennuki: ühendaksite kere tiibadega, pange elektrijuhtmed, paigaldaksite mootorid ja pärast maandumist saadaksite selle prügimäele … Nii kaugele lennata ei saa.,” ütlesid meile riikliku raketikeskuse arendajad. Makeeva. "Kuid see on täpselt see, mida me teeme iga kord, kui saadame lasti orbiidile. Muidugi tahaks ideaalis igaüks endale töökindlat üheastmelist "masinat", mis ei vaja kokkupanekut, vaid saabub tankituna ja vette lastud kosmodroomile. Ja siis tuleb see tagasi ja algab uuesti - ja uuesti "…

Poolel teel

Üldiselt üritas raketitehnika varaseimatest projektidest ühe etapiga hakkama saada. Tsiolkovski esialgsetes visandites paistavad just sellised struktuurid. Sellest ideest loobus ta alles hiljem, mõistes, et kahekümnenda sajandi alguse tehnoloogiad ei võimalda seda lihtsat ja elegantset lahendust realiseerida. Huvi üheastmeliste kandjate vastu tekkis taas 1960. aastatel ja selliseid projekte töötati välja mõlemal pool ookeani. 1970. aastateks töötasid USA-s üheastmelised rakettid SASSTO, Phoenix ja mitmed lahendused, mis põhinesid kanderaketti Saturn V kolmandal etapil S-IVB, mis viis astronaudid Kuule.

CORONA peab muutuma robotiks ja saama juhtimissüsteemi jaoks intelligentse tarkvara. Tarkvara saab uuendada otse lennu ajal ja hädaolukorras "tagasi" automaatselt varustabiilsele versioonile.

"Selline variant ei erineks kandevõimelt, mootorid ei olnud selleks piisavalt head, kuid see oleks siiski üheastmeline, üsna võimeline orbiidile lendama," jätkavad insenerid. "Muidugi oleks see majanduslikult täiesti põhjendamatu." Alles viimastel aastakümnetel on ilmunud komposiidid ja nendega töötamise tehnoloogiad, mis võimaldavad muuta kandja üheastmeliseks ja pealegi taaskasutatavaks. Sellise "teadusmahuka" raketi maksumus on küll kõrgem kui traditsioonilisel konstruktsioonil, kuid see jaotub paljudele startidele, nii et stardihind on tavapärasest oluliselt madalam.

Just meedia taaskasutatavus on tänapäeval arendajate peamine eesmärk. Space Shuttle'i ja Energia-Buran süsteemid olid osaliselt korduvkasutatavad. Esimese astme korduvat kasutamist katsetatakse rakettide SpaceX Falcon 9 puhul. SpaceX on teinud juba mitu edukat maandumist ning märtsi lõpus proovitakse taas ühte kosmosesse lennanud astmetest õhku lasta. "Meie arvates võib selline lähenemine ainult diskrediteerida ideed luua tõeline korduvkasutatavad kandjad," märgib Makeev Design Bureau. "Selline rakett tuleb ikka pärast iga lendu välja sorteerida, ühendused ja uued ühekordsed komponendid paigaldada… ja olemegi tagasi seal, kust alustasime."

Täielikult taaskasutatavad kandjad on endiselt vaid projektide vormis – välja arvatud Ameerika ettevõtte Blue Origin New Shepard. Seni on mehitatud kapsliga rakett mõeldud vaid kosmoseturistide suborbitaalseteks lendudeks, kuid enamiku sel juhul leitud lahendusi saab hõlpsasti skaleerida ka tõsisema orbitaalkandja jaoks. Ettevõtte esindajad ei varja oma plaane luua selline võimalus, mille jaoks juba töötatakse välja võimsaid mootoreid BE-3 ja BE-4. "Iga suborbitaalse lennuga läheneme orbiidile," kinnitas Blue Origin. Kuid ka nende paljulubav kandja New Glenn ei ole täielikult taaskasutatav: taaskasutada tuleks ainult esimest plokki, mis on loodud juba testitud New Shepardi disaini põhjal.

Materjali vastupidavus

Täielikult korduvkasutatavate ja üheastmeliste rakettide jaoks vajalikke CFRP materjale on kosmosetehnoloogias kasutatud alates 1990. aastatest. Neil samadel aastatel alustasid McDonnell Douglase insenerid kiiresti Delta Clipperi (DC-X) projekti elluviimist ja võivad tänapäeval kiidelda valmis ja lendava süsinikkiust kanduriga. Kahjuks katkestati Lockheed Martini survel töö DC-X kallal, tehnoloogiad viidi üle NASA-le, kus prooviti neid kasutada ebaõnnestunud VentureStari projekti jaoks, misjärel läksid paljud selle teemaga seotud insenerid tööle Blue Originisse. ja ettevõtte enda võttis üle Boeing.

Samadel 1990ndatel tundis selle ülesande vastu huvi Venemaa SRC Makeev. Sellest ajast alates on projekt KORONA ("Kosmoserakett, üheastmeline [ofkosmosesõidukite üheastmeline kandja") läbi teinud märgatava evolutsiooni ning vahepealsed versioonid näitavad, kuidas disain ja paigutus muutusid üha lihtsamaks ja täiuslikumaks. Järk-järgult loobusid arendajad keerukatest elementidest – nagu tiivad või välised kütusepaagid – ning jõudsid arusaamisele, et korpuse põhimaterjal peaks olema süsinikkiud. Koos välimusega muutusid nii kaal kui ka kandevõime. "Isegi parimaid kaasaegseid materjale kasutades on võimatu ehitada alla 60-70 tonni kaaluvat üheastmelist raketti, samas kui selle kandevõime on väga väike," ütleb üks arendajatest. - Kuid lähtemassi kasvades moodustab struktuur (teatud piirini) üha väiksema osa ja selle kasutamine muutub üha tulusamaks. Orbitaalraketi jaoks on see optimum umbes 160-170 tonni, alates sellest skaalast on selle kasutamine juba õigustatud.

KORONA projekti uusimas versioonis on stardimass veelgi suurem ja läheneb 300 tonnile. Nii suur üheastmeline rakett eeldab ülitõhusa vesinikul ja hapnikul töötava vedelkütuse reaktiivmootori kasutamist. Erinevalt eraldi astmetel olevatest mootoritest peab selline vedelkütusega rakettmootor "suutma" töötada väga erinevates tingimustes ja erinevatel kõrgustel, sealhulgas õhkutõusmisel ja õhust väljapoole lendamisel. "Tavaline Lavali düüsidega vedelkütuse mootor on efektiivne ainult teatud kõrguste vahemikes," selgitavad Makeyevka disainerid, "seetõttu jõudsime vajaduseni kasutada kiilõhkrakettmootorit." Selliste mootorite gaasijuga kohandub automaatselt "üle parda" rõhuga ja need jäävad tõhusaks nii pinnal kui ka kõrgel stratosfääris.

Kasuliku koorma konteiner

Seni pole maailmas seda tüüpi töötavat mootorit, kuigi nendega on tegeldud ja tegeldakse nii meil kui ka USA-s. 1960. aastatel katsetasid Rocketdyne'i insenerid selliseid mootoreid statiivil, kuid rakettidele paigaldamiseni nad ei jõudnud. CROWN peaks olema varustatud moodulversiooniga, mille puhul kiilõhuotsik on ainuke element, millel pole veel prototüüpi ja mida pole testitud. Venemaal on olemas ka kõik komposiitdetailide tootmise tehnoloogiad - need on välja töötatud ja neid kasutatakse edukalt näiteks Ülevenemaalises Lennumaterjalide Instituudis (VIAM) ja JSC Kompozitis.

Vertikaalne sobivus

Atmosfääris lennates kaetakse KORONA süsinikkiust kandekonstruktsioon VIAM-i poolt Buranide jaoks välja töötatud kuumakaitseplaatidega, mida on sellest ajast peale märgatavalt täiustatud."Meie raketi peamine soojuskoormus on koondunud selle" ninale ", kus kasutatakse kõrge temperatuuriga termokaitseelemente," selgitavad disainerid. - Sel juhul on raketi laienevad küljed suurema läbimõõduga ja õhuvoolu suhtes terava nurga all. Nende soojuskoormus on väiksem, mis võimaldab kasutada kergemaid materjale. Selle tulemusel oleme säästnud üle 1,5 tonni. Kõrgtemperatuurse osa mass ei ületa 6% termokaitse kogumassist. Võrdluseks, süstikutes moodustab see rohkem kui 20%.

Meediumi klanitud kitsenev disain on lugematu arvu katse-eksituse tulemus. Kui võtta ainult võimaliku korduvkasutatava üheastmelise kandja põhiomadused, tuleb arendajate sõnul arvestada nende umbes 16 000 kombinatsiooniga. Disainerid hindasid projekti kallal töötades sadu neist. "Otsustasime tiibadest loobuda, nagu Buranil või kosmosesüstikul," ütlevad nad. - Üldiselt segavad nad atmosfääri ülemistes kihtides ainult kosmoseaparaate. Sellised laevad sisenevad atmosfääri hüperhelikiirusel, mis pole parem kui "raud" ja ainult ülehelikiirusel lülituvad nad horisontaalsele lennule ja saavad korralikult tugineda tiibade aerodünaamikale.

Teljesümmeetriline koonuse kuju ei võimalda mitte ainult kergemat termokaitset, vaid on ka hea aerodünaamikaga väga suurtel kiirustel sõites. Juba atmosfääri ülemistes kihtides saab rakett tõstejõu, mis võimaldab tal siin mitte ainult pidurdada, vaid ka manööverdada. See omakorda võimaldab teha vajalikke manöövreid suurel kõrgusel, suundudes maandumisplatsile ning tulevasel lennul tuleb vaid pidurdada, kurssi korrigeerida ja ahtri alla keerata, kasutades nõrka manööverdamist. mootorid.

Tuletage meelde nii Falcon 9 kui ka New Shepardi: vertikaalses maandumises pole tänapäeval midagi võimatut ega isegi ebatavalist. Samas võimaldab see raja ehitamisel ja ekspluateerimisel läbi saada oluliselt väiksemate jõududega - raja, millel maandusid samad Süstikud ja Buran, pidi olema mitu kilomeetrit pikk, et sõidukit kell pidurdada. kiirus sadu kilomeetreid tunnis. "CROWN võib põhimõtteliselt isegi avamereplatvormilt õhku tõusta ja sellele maanduda," lisab projekti üks autoreid, "lõplikuks maandumistäpsuseks on umbes 10 m, rakett lastakse ülestõstetavatele pneumaatilistele amortisaatoritele. Jääb vaid läbi viia diagnostika, tankida, panna uus kandevõime - ja võite jälle lennata.

KORONA rakendamine jätkub rahastamise puudumisel, nii et Makeevi disainibüroo arendajatel õnnestus jõuda alles eskiisprojekti lõppfaasi. “Oleme selle etapi läbinud peaaegu täielikult ja täiesti iseseisvalt, ilma välise toetuseta. Oleme juba teinud kõik, mida oleks saanud teha, - ütlevad disainerid. - Teame, mida, kus ja millal tuleks toota. Nüüd tuleb liikuda edasi võtmeüksuste praktilise disaini, tootmise ja arenduse juurde ning see nõuab raha, nii et nüüd sõltub kõik neist.

Hiline start

CFRP rakett ootab ainult suuremahulist starti, vajaliku toetuse saamisel on disainerid valmis kuue aasta pärast alustama lennukatsetusi ja seitsme kuni kaheksa aasta pärast esimeste rakettide eksperimentaalset käitamist. Nende hinnangul kulub selleks vähem kui 2 miljardit dollarit – raketiteaduse standardite järgi pole see palju. Samas võib investeeringutasuvust oodata seitsme aasta pärast raketi kasutamist, kui kommertslaskmiste arv püsib praegusel tasemel, või isegi 1,5 aasta pärast – kui see kasvab prognoositud tempos.

Veelgi enam, manööverdusmootorite, kohtumis- ja dokkimisseadmete olemasolu raketil võimaldab arvestada keerukate mitme käivitamise skeemidega. Kulutades kütust mitte maandumisele, vaid kasuliku koormuse lisamisele, saate selle viia massini, mis ületab 11 tonni. Seejärel dokib CROWN teise, "tankeriga", mis täidab oma paagid tagasipöördumiseks vajaliku lisakütusega. Kuid ikkagi on palju olulisem korduvkasutatavus, mis vabastab meid esimest korda vajadusest enne iga käivitamist koguda meediat – ja kaotada see pärast iga käivitamist. Vaid selline lähenemine suudab tagada stabiilse kahesuunalise liiklusvoo loomise Maa ja orbiidi vahel ning ühtlasi alguse reaalsele aktiivsele maalähedase kosmose laiaulatuslikule ärakasutamisele.

Vahepeal jääb CROWN teadmatusse, töö New Shepardi kallal jätkub. Sarnane Jaapani projekt RVT on samuti arenemas. Venemaa arendajatel ei pruugi läbimurdeks lihtsalt piisavalt toetust olla. Kui teil on paar miljardit varuks, on see palju parem investeering kui isegi maailma suurim ja luksuslikum jaht.