Se crede că tehnologiile se dezvoltă întotdeauna treptat, de la simplu la complex, de la cuțit de piatră la oțel - și abia apoi la o mașină de frezat programată. Cu toate acestea, soarta rachetei spațiale s-a dovedit a fi mai puțin simplă. Crearea de rachete simple și fiabile într-o singură etapă a rămas mult timp inaccesibilă proiectanților. Erau necesare soluții pe care nici oamenii de știință din materie, nici inginerii de motoare 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 scump este folosit pentru câteva minute, după care este aruncat
„Imaginați-vă că, înainte de fiecare zbor, veți asambla un avion nou: veți conecta fuselajul la aripi, așezați cabluri electrice, instalați motoarele și, după aterizare, îl veți trimite la un depozit de deșeuri … Nu veți zbura departe ca asta”, ne-au spus dezvoltatorii Centrului de rachete de stat. Makeeva. „Dar exact asta facem de fiecare dată când trimitem marfa pe orbită. Desigur, în mod ideal toată lumea ar dori să aibă o „mașină” fiabilă într-o singură etapă, care nu necesită asamblare, dar ajunge la cosmodrom, realimentată și lansată. Și apoi se întoarce și începe din nou - și din nou …
La jumătatea drumului
În general, racheta a încercat să treacă printr-o etapă din primele proiecte. În schițele inițiale ale lui Ciolkovski apar doar astfel de structuri. A abandonat această idee abia mai târziu, realizând că tehnologiile de la începutul secolului al XX-lea nu permiteau realizarea acestei soluții simple și elegante. Interesul pentru transportatorii cu o singură etapă a apărut din nou în anii 1960 și astfel de proiecte erau elaborate de ambele părți ale oceanului. În anii 1970, Statele Unite lucrau la rachete cu o singură etapă SASSTO, Phoenix și la mai multe soluții bazate pe S-IVB, a treia etapă a vehiculului de lansare Saturn V, care livra astronauții pe Lună.
„O astfel de opțiune nu ar diferi în ceea ce privește capacitatea de încărcare, motoarele nu erau suficient de bune pentru aceasta - dar totuși ar fi o etapă, destul de capabilă să zboare pe orbită”, continuă inginerii. „Desigur, din punct de vedere economic ar fi complet nejustificat”. Compozitele și tehnologiile pentru lucrul cu ele au apărut abia în ultimele decenii, ceea ce face posibilă transformarea operatorului într-o singură etapă și, în plus, reutilizabilă. Costul unei astfel de rachete „intensive în știință” va fi mai mare decât cel al unui design tradițional, dar va fi „răspândit” pe multe lansări, astfel încât prețul de lansare va fi mult mai mic decât nivelul obișnuit.
Reutilizarea mass-media este principalul obiectiv al dezvoltatorilor de astăzi. Sistemele Space Shuttle și Energia-Buran au fost parțial reutilizabile. Utilizarea repetată a primei etape este testată pentru rachetele SpaceX Falcon 9. SpaceX a făcut deja mai multe aterizări reușite, 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 creării unui suport real reutilizabil”, notează Makeev Design Bureau. "Trebuie totuși să sortezi o astfel de rachetă după fiecare zbor, să instalezi conexiuni și noi componente de unică folosință … și ne-am întors de unde am început."
Mediile complet reutilizabile sunt încă doar sub formă de proiecte - cu excepția Noului Shepard al companiei americane Blue Origin. Până în prezent, racheta cu o capsulă echipată este concepută doar pentru zborurile suborbitale ale turiștilor spațiali, dar majoritatea soluțiilor găsite în acest caz pot fi ușor scalate pentru un purtător orbital mai serios. Reprezentanții companiei nu își ascund planurile de a crea o astfel de opțiune, pentru care sunt deja dezvoltate motoare puternice BE-3 și BE-4. "Cu fiecare zbor suborbital, ne apropiem de orbită", a asigurat Blue Origin. Dar și transportatorul lor promițător New Glenn nu va fi pe deplin reutilizabil: doar primul bloc, creat pe baza designului New Shepard deja testat, ar trebui reutilizat.
Rezistenta materialelor
Materialele CFRP necesare pentru rachetele complet reutilizabile și cu o singură etapă au fost utilizate în tehnologia aerospațială încă din anii '90. În aceiași ani, inginerii de la McDonnell Douglas au început rapid să implementeze proiectul Delta Clipper (DC-X) și astăzi s-ar putea lăuda cu un transportor de fibră de carbon gata pregătit și zburător. Din păcate, sub presiunea lui Lockheed Martin, lucrările la DC-X au fost întrerupte, tehnologiile au fost transferate la NASA, unde au încercat să le folosească pentru proiectul VentureStar nereușit, după care mulți ingineri implicați în acest subiect au mers să lucreze la Blue Origin, iar compania însăși a fost preluată de Boeing.
În aceeași anii '90, rusul SRC Makeev a devenit interesat de această sarcină. De atunci, proiectul KORONA („Racheta spațială, purtător cu o singură etapă a vehiculelor [spațiale]) a suferit o evoluție vizibilă, iar versiunile intermediare arată modul în care designul și aspectul au devenit din ce în ce mai simple și perfecte. Treptat, dezvoltatorii au abandonat elemente complexe - cum ar fi aripile sau rezervoarele externe de combustibil - și au ajuns la înțelegerea că materialul principal al corpului ar trebui să fie fibra de carbon. Împreună cu aspectul, atât greutatea, cât și capacitatea de încărcare s-au schimbat. „Folosind chiar și cele mai bune materiale moderne, este imposibil să construiești o rachetă cu o singură etapă care cântărește mai puțin de 60-70 de tone, în timp ce sarcina sa utilă va fi foarte mică”, spune unul dintre dezvoltatori. - Dar pe măsură ce masa inițială crește, structura (până la o anumită limită) are o cotă din ce în ce mai mică și devine din ce în ce mai profitabilă folosirea acesteia. 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 KORONA, masa de lansare este chiar mai mare și se apropie de 300 de tone. O astfel de rachetă mare într-o singură etapă necesită utilizarea unui motor cu jet de combustibil lichid extrem de eficient care funcționează pe hidrogen și oxigen. Spre deosebire de motoarele aflate în etape separate, un astfel de motor rachetă cu propulsie lichidă trebuie să poată funcționa în condiții foarte diferite și la altitudini diferite, inclusiv la decolare și zbor în afara atmosferei. „Un motor convențional cu propulsie lichidă cu duze Laval este eficient numai la anumite intervale de altitudine”, explică designerii Makeevka, „prin urmare, am ajuns la nevoia de a folosi un motor rachetă cu aer înconjurător”. Jetul de gaz al acestor motoare se ajustează la presiunea „peste bord” și menține eficiența atât la suprafață, cât și la mare în stratosferă.
Până în prezent, nu există un motor de lucru de acest tip în lume, deși au fost și sunt tratate atât în țara noastră, cât și în SUA. În anii 1960, inginerii Rocketdyne au testat astfel de motoare pe un stand, dar nu au ajuns la instalarea pe rachete. CROWN ar trebui să fie echipat cu o versiune modulară, în care duza de pană-aer este singurul element care nu are încă un prototip și nu a fost testat. Există, de asemenea, toate tehnologiile pentru producerea de piese compozite în Rusia - au fost dezvoltate și sunt utilizate cu succes, de exemplu, la Institutul All-Russian of Aviation Materials (VIAM) și la OJSC „Kompozit”.
Potrivire verticală
Când zburați în atmosferă, structura din plastic armat cu fibră de carbon a CORONA va fi acoperită cu plăci de protecție termică dezvoltate de VIAM pentru Burani și de atunci au fost îmbunătățite în mod vizibil.„Sarcina principală de căldură a rachetei noastre este concentrată pe„ nasul”său, unde sunt utilizate elemente de protecție termică la temperatură înaltă - explică proiectanții. - În acest caz, laturile în expansiune ale rachetei au un diametru mai mare și se află într-un unghi acut față de fluxul de aer. Sarcina termică pe ele este mai mică, ceea ce permite utilizarea unor materiale mai ușoare. Drept urmare, am economisit mai mult de 1,5 tone. Masa piesei la temperatură ridicată nu depășește 6% din masa totală a protecției termice. Pentru comparație, reprezintă mai mult de 20% din navete."
Designul conic elegant al suportului media este rezultatul a nenumărate încercări și erori. Potrivit dezvoltatorilor, dacă luați doar caracteristicile cheie ale unui posibil purtător reutilizabil într-o singură etapă, va trebui să luați în considerare aproximativ 16.000 de combinații ale acestora. Sute dintre ele au fost apreciate de designeri în timp ce lucrau la proiect. „Am decis să abandonăm aripile, ca pe Buran sau pe Naveta Spațială”, spun ei. - În general, în atmosfera superioară, ele interferează doar cu navele spațiale. Astfel de nave intră în atmosferă cu o viteză hipersonică nu mai bună decât un „fier” și doar cu viteză supersonică trec la zbor orizontal și se pot baza în mod corespunzător pe aerodinamica aripilor.”
Forma conului aximetric nu numai că permite o protecție termică mai ușoară, dar are și o aerodinamică bună atunci când se circulă cu viteze foarte mari. Deja în straturile superioare ale atmosferei, racheta primește o ridicare, care îi permite nu numai să frâneze aici, ci și să manevreze. Acest lucru, la rândul său, face posibilă efectuarea manevrelor necesare la mare altitudine, îndreptându-se către locul de aterizare, iar în zborul viitor, rămâne doar să finalizăm frânarea, să corectăm cursul și să ne întoarcem înapoi, folosind motoare slabe de manevră.
Amintiți-vă atât Falcon 9, cât și New Shepard: nu există nimic imposibil sau chiar neobișnuit în aterizarea verticală astăzi. În același timp, face posibilă trecerea cu forțe semnificativ mai mici în timpul construcției și funcționării pistei - pista pe care au aterizat aceleași navete și Buran trebuia să aibă o lungime de câțiva kilometri pentru a frâna vehiculul la o viteză de sute de kilometri pe oră. „CROWN, în principiu, poate chiar să decoleze de pe o platformă offshore și să aterizeze pe ea”, adaugă unul dintre autorii proiectului, „precizia 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 nouă sarcină utilă - și puteți să zburați din nou.
KORONA este încă în curs de implementare în absența finanțării, astfel încât dezvoltatorii Biroului de Design Makeev au reușit să ajungă doar la etapele finale ale proiectului de proiectare. „Am trecut această etapă aproape în totalitate și complet independent, fără sprijin extern. Am făcut deja tot ce s-ar putea face - spun designerii. - Știm ce, unde și când trebuie produs. Acum trebuie să trecem la proiectarea practică, producția și dezvoltarea unităților cheie, iar acest lucru necesită bani, așa că acum totul depinde de ele."
Start intarziat
Racheta CFRP se așteaptă doar la o lansare pe scară largă; după primirea sprijinului necesar, proiectanții sunt gata să înceapă testele de zbor în șase ani și în șapte până la opt ani - să înceapă operarea experimentală a primelor rachete. Ei estimează că acest lucru necesită mai puțin de 2 miliarde de dolari - nu mult conform standardelor rachetelor. În același timp, se poate aștepta o rentabilitate a investiției după șapte ani de utilizare a rachetei, dacă numărul lansărilor comerciale rămâne la nivelul actual sau chiar în 1,5 ani - dacă crește la ratele prevăzute.
Mai mult decât atât, prezența motoarelor de manevră, a întâlnirilor și a facilităților de andocare pe rachetă face, de asemenea, posibil să se bazeze pe scheme complexe de lansare multi-lansare. După ce ați consumat combustibil nu pentru aterizare, ci pentru terminarea sarcinii utile, este posibil să-l aduceți la o masă de peste 11 tone. Apoi, COROANA va andoca cu al doilea „cisternă”, care își va umple rezervoarele cu combustibil suplimentar necesar pentru întoarcere. Dar totuși, mult mai important este reutilizarea, care pentru prima dată ne va scuti de necesitatea de a colecta mass-media înainte de fiecare lansare - și de a o pierde după fiecare lansare. Numai o astfel de abordare poate asigura crearea unui flux stabil de trafic bidirecțional între Pământ și orbită și, în același timp, începutul unei exploatări reale, active, la scară largă a spațiului din apropierea Pământului.
Între timp, CROWN rămâne în limb, lucrările la New Shepard continuă. Se dezvoltă, de asemenea, un proiect japonez similar RVT. Este posibil ca dezvoltatorii ruși să nu aibă suficient sprijin pentru o descoperire. Dacă aveți de rezervă câteva miliarde, aceasta este o investiție mult mai bună decât chiar și cel mai mare și mai luxos iaht din lume.
