Încercarea # 2. Racheta americană LEGO

Încercarea # 2. Racheta americană LEGO
Încercarea # 2. Racheta americană LEGO
Anonim
Imagine

Cred că mulți pasionați de astronautică care sunt interesați activ de istoria și starea actuală a lucrurilor în domeniul explorării și explorării spațiului au recunoscut deja racheta surprinsă în fotografia din titlu.

Această rachetă, sau mai bine zis rapelul, este cea mai mare rachetă cu propulsie solidă creată vreodată de omenire.

Ei bine, acum a devenit și mai mult.

Acesta este amplificatorul lateral al sistemului Navetei Spațiale, care a devenit și mai mare, primind, pe lângă cele patru secțiuni standard cu care a lansat odată cu naveta spațială, o a cincea secțiune suplimentară, care îi va permite să devină o rachetă rapel al noului sistem super-greu de lansare spațială NASA, numit SLS (Space Launch System).

Conform ideii NASA, acest sistem ar trebui să readucă Statele Unite ale Americii palma în toate aspectele explorării spațiale, oferind în același timp întregii omeniri posibilitatea de a reveni la frontiera spațială, rupând în cele din urmă cercul vicios al Pământului de jos. orbită și punând problema explorării lunare înapoi pe ordinea de zi. și … chiar și pe Marte.

Cât de real și cât de fezabil este acest program ambițios? Să încercăm să ne dăm seama.

Imagine

Dimensiuni comparative ale sistemelor de lansare americane istorice, contemporane și dezvoltate.

Întrebare de completare: de ce Delta IV este mai mare decât Falcon 9?

Starea actuală a cosmonauticii americane după părăsirea arenei sistemului de navetă spațială este destul de deplorabilă: cel mai greu vehicul de lansare la dispoziția Statelor Unite în ceea ce privește starea sa actuală este Delta IV Heavy, care poate pune o sarcină de 28 în scăzut Orbita terestră (LEO), 4 tone.

Familia Delta IV, în ciuda eforturilor masive de proiectare, inginerie și comercială ale Boeing pentru a-și crea și promova descendenții pe piață, s-a dovedit a fi „în momentul nepotrivit și în locul nepotrivit”: pe fondul costului redus al lansarea rachetei Proton rusești și pentru ucraineanul Zenit-3SL, costul lansării unei sarcini utile folosind Delta IV s-a dovedit a fi destul de inaccesibil.

O singură lansare a „Delta IV” a costat 140-170 milioane de dolari, în timp ce costul unei încărcături utile similare Proton a fost de aproximativ 100 de milioane de dolari, iar costul lansării unui „Delta IV” ucrainean „Zenith-3SL” a fost chiar mai mic - doar 60 de milioane de dolari.

Un cost atât de ridicat al lansării Delta IV a forțat Boeing să solicite exclusiv ordine guvernamentale pentru aceasta și, ca urmare, toate lansările Delta, cu excepția uneia, au fost plătite din bugetul Departamentului de Stat al SUA.

Imagine

Lansarea vehiculului de lansare Delta IV în varianta Heavy. Greutatea de lansare este de aproximativ 733 de tone.

La sfârșit, la mijlocul anilor 2000, Delta IV a renunțat în cele din urmă la segmentul comercial al lansărilor spațiale - și nu a mai putut să se întoarcă niciodată până acum, când au început băieții din magazinul privat SpaceX, a cărui rachetă Falcon, 9 s-a apropiat, de asemenea, de nișa de piață a „Delta IV”, iar modificarea aceleiași rachete, numită Falcon 9 Heavy, planificată pentru lansarea în 2015, chiar a depășit-o.

Imagine

La începutul Falcon 9 Heavy, 27 de motoare Merlin cu o forță de 66 tone fiecare, alimentate cu kerosen și oxigen, vor fi pornite simultan.

Această idee a lui Elon Musk ar trebui să aducă programul spațial „privat” al SpaceX la o înălțime inaccesibilă anterior: pentru o versiune unică a vehiculului de lansare, masa încărcăturii transportate la LEO va fi de până la 53 de tone, pe GPO - 21, 2 tone și pe o traiectorie către Marte - 13, 2 tone. Odată cu întoarcerea amplificatoarelor laterale și a unității centrale, capacitatea de încărcare nu va depăși 32 de tone per LEO - pentru reutilizarea vehiculului de lansare trebuie să plătiți cu un consum suplimentar de combustibil și, ca urmare, o scădere a sarcinii utile.

Printre inovațiile tehnice din timpul dezvoltării Falcon 9 Heavy, dezvoltatorul a declarat o posibilitate unică de a revărsa combustibil și oxidant în timpul zborului de la amplificatoarele laterale la prima etapă a vehiculului de lansare, ceea ce va permite să aibă rezervoare de combustibil pline în centrul secțiune în momentul separării amplificatoarelor laterale și îmbunătățirea performanței sarcinii utile plasate pe orbită …

Imagine

Asamblarea corpurilor din primele etape ale rachetelor Falcon 9. Acum 8 motoare sunt deja instalate într-un cerc, cu unul central. În aglomerat, dar nu supărat.

„Traiectoria către Marte” menționată în ultimul paragraf nu este o abstracție. Cu o masă de lansare de 1.462 de tone, de două ori mai mare decât cea a recordului actual Delta IV, Falconul greu este deja acel pas necesar care vă permite să vă gândiți serios la zborurile către Lună și Marte. Deși într-o configurație mai asemănătoare experimentelor sovietice cu aparatul din seria Probe decât programului colosal american Saturn-Apollo.

Cu toate acestea, în viitor, drumul până la conceptul „Delta IV” și Falcon 9 cu amplificatoare laterale, care sunt „clone” ale primelor etape, încep să alunece așa cum era de așteptat.

Lucrul este că este imposibil să înmulțiți "pereții laterali" de pornire care vă permit să măriți masa ieșirii de sarcină către LEO la infinit - două sau patru blocuri laterale pot fi atașate cumva la cel central, dar apoi complexitatea de asamblare și control al unei astfel de structuri multicomponente care doar crește exponențial.

În această privință, în general, racheta lunară Korolev N-1 „a adormit”, care avea 30 de motoare de rachetă NK-33 pe prima etapă, ceea ce, împreună cu schema în cinci etape a rachetei în sine, a făcut-o nu permite să rezolve până la capăt toate întrebările lansării sale fără probleme.

Configurația actuală a Falcon 9, care începe imediat cu 27 de motoare, este deja aproape de limita complexității și, cel mai probabil, compania lui Elon Musk va trebui deja să crească masa și dimensiunea unei singure unități rachete, ceea ce crește imediat cerințele de-a lungul întregului lanț de producție, transport și lansare de rachete.

Familia de rachete promițătoare rusă „Angara” se va confrunta probabil cu probleme similare. Mărimea relativă mică a unui bloc de unități duce deja la faptul că racheta Angara-A5 cu o masă inițială de 733 tone trebuie să pună imediat patru „părți” de rapel (cu o capacitate de încărcare de 24,5 tone per LEO).

Imagine

Angara-A5 înainte de lansare pe 23 decembrie 2014. La start, funcționează cinci motoare RD-191, fiecare cu o tracțiune de 196 de tone.

O creștere suplimentară a capacității de încărcare a Angara se bazează pe faptul că nu patru, ci șase boostere de rachete trebuie atașate la secțiunea de bază a celei de-a doua etape, care, probabil, este deja un fel de limită structurală și inginerie pentru scalarea sistemelor de pachete, deoarece limita pentru conceptul Falcon 9 este de 27 de motoare Merlin-1D pe trei blocuri de pornire.

Proiectul Angara-A7 rezultat va putea, conform calculelor, cu o greutate proprie de lansare de 1370 tone, să aducă o încărcătură utilă de 50 de tone la LEO (în cazul utilizării combustibilului cu hidrogen pentru a doua etapă), ceea ce va fi cel mai probabil fie scalarea maximă a conceptului de rachetă.de familia Angara.

Imagine

Compararea „Angara A5” și a conceptelor „Angara A7” - cu combustibil de kerosen și hidrogen. În același timp, există răspunsul - de ce este „Delta IV” mare, iar Falcon 9 - mic.

În general, orice s-ar putea spune, concepte bazate pe un bloc de rachete din clasa de 200 sau chiar 400 de tone - se dovedește în continuare că limita de karachun structurală și de inginerie pentru astfel de rachete „pachete” are o greutate de lansare în regiunea 1300- 1500 tone, care corespunde masei retrase 45-55 tone per LEO.

Dar atunci este deja necesar să se mărească atât forța unui singur motor, cât și dimensiunea etapei rachetei sau a acceleratorului.

Și tocmai aceasta este calea pe care o ia astăzi proiectul SLS.

În primul rând, luând în considerare experiența negativă a „Delta IV”, dezvoltatorii SLS au încercat să profite din plin de trecut.Totul și toată lumea au fost folosite: amplificatoarele de rachete ale 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 în a doua etapă și…. (susținătorii teoriei „conspirației lunare” - pregătiți-vă!) motoare J-2X uitate de mult cu hidrogen-oxigen, care provin de la motoarele etapelor a doua și a treia ale rachetei lunare „Saturn V” și care sunt propuse pentru să fie utilizat în etapele superioare proiectate SLS!

Mai mult, planurile pe termen lung de îmbunătățire a acceleratoarelor SLS implică două proiecte concurente care utilizează motoare rachete cu propulsie lichidă în loc de propulsori solizi: proiectul companiei Aerojet, care a prezentat pentru viitor motorul său kerosen-oxigen cu ciclu închis AJ1E6 transportator „greu”, care provine din rachetele NK- 33 Royal H-1 - și un proiect al lui Pratt & Whitney Rocketdine, care propune … (și din nou, surpriză, lunosceptici!) Refacerea în SUA a producției de F -1 motoare, care au ridicat odată faimoasa rachetă Saturn V de pe Pământ.

Imagine

Poate că viața va reveni la aceste bănci de testare. Testarea primei etape a "Saturn V" - "Saturn 1C" LV în august 1968 la banca de testare ciclopeană V-2. Rețineți că pasul este transportat pe o barjă.

Participă la dezvoltarea unui viitor accelerator de lansare promițător și a actualului producător de boostere cu propulsie solidă care se află la ansamblul inițial al vehiculului de lansare SLS, Block I - ATK (Alliant Techsystems), care a propus extinderea suplimentară a rapelului Space Shuttle existent mărindu-i lungimea și diametrul … Proiectul unui accelerator promițător de la ATK se numește „cavalerul întunecat”.

Ei bine, în timp ce cireșul de pe tort - una dintre configurațiile viitoare ale sistemului SLS, Block Ib, implică utilizarea unei unități hidrogen-oxigen ca a treia etapă, împrumutată de la … racheta Delta IV!

Acesta este, știți, „LEGO infernal”, în care NASA a încercat să evalueze, să combine și să utilizeze toate evoluțiile existente în domeniul rachetelor grele.

Ce este familia de medii SLS? La urma urmei, după cum ne amintim deja din exemplul „Delta IV”, „Hangare” și Falcon 9 - dimensiunile globale pot fi înșelătoare.

Deci, iată o diagramă simplă pentru a înțelege ce se intenționează:

Imagine

În partea stângă a diagramei se află vehiculele de lansare grele pe care le aveau încă Statele Unite. Saturnul lunar V, care ar putea aduce o încărcătură utilă de 118 tone la LEO, și naveta spațială, care părea să fi pus naveta reutilizabilă pe orbită cântărind de la 120 la 130 de tone, dar în același timp ar putea livra cu ea doar o sarcină utilă foarte modestă - doar 24 de tone de sarcină utilă.

Conceptul SLS va fi implementat în două versiuni principale: echipaj (echipaj) și fără echipaj (marfă).

În plus, indisponibilitatea a trei proiecte promițătoare de rapelare de la Aerojet, Rocketdine și ATK obligă NASA să utilizeze acele „piese de rachetă LEGO” care sunt disponibile - și anume acele amplificatoare de navetă spațială îmbunătățite cu cinci secțiuni.

Un „ersatz-carrier” de tranziție construit în acest mod (denumit oficial SLS Block I), cu toate acestea, conform tuturor calculelor, va avea deja o capacitate de transport mult mai serioasă decât „Delta IV” sau Falcon 9 Heavy, care este 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 evoluțiile oprite ale NASA în cadrul programului Constellation - vehiculul de lansare Ares (Marte), care nu a fost încă creat până la sfârșit, care a făcut un singur zbor de testare în 2009, în designul Ares 1X, care consta din același accelerator de navetă spațială modificat în patru secțiuni, la care au fost conectate un test de încărcare a celui de-al cincilea segment și o încărcare prototip a celui de-al doilea stadiu.Scopul zborului de testare a fost acela de a verifica funcționarea primei etape cu combustibil solid în aranjamentul „stick simplu” („jurnal”), totuși, ceva trebuie să se fi întâmplat în timpul testelor, când prima și a doua etapă au fost separate, s-a produs un salt neautorizat înaintea primei etape, cauzat de, cel mai probabil, de arderea ulterioară a fragmentelor de combustibil rupte de zgomotul din el. Rapidul cu propulsie solidă a ajuns în cele din urmă la aspectul etapei a 2-a și a lovit-o.

După aceea, o încercare destul de nereușită de a asambla un „nou LEGO” din părți vechi a fost restrânsă la NASA, proiectul Ares și Constelația însăși au fost puse la distanță pe raftul conceptelor nereușite și din bazele dezvoltate în cadrul Constelației, a rămas doar o navă spațială orbitală cu echipaj destul de reușită. "Orion", care a fost construită conform schemei capsulei de întoarcere obișnuite pentru navele de unică folosință, care a pus capăt în cele din urmă planorului reutilizabil al Navetei Spațiale.

Imagine

Nava spațială Orion înainte de prima sa lansare pe racheta Delta IV. Decembrie 2014.

Diametrul navei spațiale Orion este de 5,3 metri, greutatea navei spațiale este de aproximativ 25 de tone. Volumul intern al lui 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 spațială orbitală și a volumului intern liber, Orion în timpul misiunilor din apropierea Pământului pe orbite joase (de exemplu, într-o expediție la ISS) poate susține 6 cosmonauți.

Cu toate acestea, așa cum sa menționat deja la început, sarcina principală pentru Orion și ar trebui să o pună în orbite dincolo de sistemul de lansare SLS de referință redusă este revenirea Statelor Unite la sarcinile de stăpânire a spațiului îndepărtat de lângă Pământ și, în primul rând,, Luna și Marte.

Pentru zborul spre Lună și, eventual, spre Marte, principalele eforturi ale Statelor Unite și ale Rusiei sunt calculate în îmbunătățirea navelor spațiale și a vehiculelor de lansare.

Aici, în principiu, într-o formă tabulară convenabilă, se analizează diferența dintre sistemul american „Orion” și sistemul rusesc PPTS.

Pentru numele PPKS PPTS, desigur, trebuie să învingi pe cineva imediat, dar bine. Și, în general, din păcate, totul este foarte dificil cu proiectul PPTS de până acum.

Prin urmare, în ceea ce privește PPTS, avem doar imagini amuzante din expoziție până acum. Dar, în realitate, până acum s-a făcut pentru a insulta puțin …

Încercarea # 2. Racheta americană LEGO

Există doar un model - între trecut și viitor. Există doar un model - și țineți-vă de el …

Pe lângă problemele de finanțare, neînțelegerea conceptului și o serie de probleme de proiectare și inginerie, viitorul PTS este incert și din cauza lipsei unui vehicul de lansare adecvat pentru unele dintre sarcinile sale planificate. Așa cum am spus, 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 din apropierea Pământului, dar absolut nu suficient pentru un asalt în continuare pe Lună sau Marte.

În plus, conceptul PPTS s-a bazat pe crearea unei alternative la racheta „Angara” a familiei „Rus-M”, lucrare care a fost oprită și până acum.

Imagine

Proiecte de rachete ale familiei „Rus” în comparație doar cu familiile „Soyuz” și „Angara”.

Scopul principal al familiei de rachete Rus a fost de a furniza zboruri cu echipaj, datorită cărora racheta, altele fiind egale, are o sarcină utilă mai mică pe LEO decât rachetele Angara. Acest lucru se datorează faptului că în timpul zborurilor cu pilot, una dintre cerințe este capacitatea vehiculului de lansare de a părăsi lansarea chiar dacă unul dintre motoare cedează și cerința de a asigura continuarea zborului în cazul unei defecțiuni ulterioare a unuia dintre motoare - cu continuarea lansării navei spațiale pe o orbită coborâtă sau asigurând salvarea și o aterizare sigură.

Aceste cerințe, inclusiv o traiectorie specială de lansare, care ar trebui să asigure o supraîncărcare a echipajului de cel mult 12 g pentru orice situații de urgență și prezența unui sistem de salvare de urgență (SAS), duc la o reducere semnificativă a capacității de transport a " Rus "în versiunea cu echipaj.

În plus, diametrul de proiectare al blocului de bază „Rus” de 3, 8 metri a fost ales pe baza transportului tradițional pentru URSS și Rusia a pieselor vehiculelor de lansare pe calea ferată.

În Statele Unite, în mod deliberat, începând cu programul Saturn-Apollo, primele etape ale vehiculelor de lansare au fost realizate în funcție de dimensiunea adecvată, ținând seama de posibilitatea transportului lor prin transport pe apă (de coastă-mare și fluvial), care foarte mult a simplificat cerințele pentru dimensiunile unei unități de rachete separate …

Imagine

Transportul primei etape a Saturn V LV pe barja râului Pearl.

Astăzi, lucrările la SLS și Orion, chiar și după prăbușirea Constelației, sunt în plină desfășurare.

Odată cu finalizarea SLS Block I, care se va baza aproape în totalitate pe restanța existentă a navetei spațiale, NASA intenționează să treacă la următoarea fază mult mai ambițioasă - SLS Block II, cu opriri intermediare sub forma SLS Block Ia și Blocul SLS Ib.

Imagine

Opțiune de construcție LEGO dacă amplificatoarele de rachete sunt gata mai devreme. Blocul I, blocul Ia și apoi blocul II.

Imagine

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 unul dintre promițătoarele lansatoare de rachete: fie de la Aerojet pe un ciclu închis kerosen-oxigen AJ1E6, fie de la Rocketdyne pe un ciclu deschis F-1 modificat de la Saturn V sau același lucru pe noul combustibil solid "Black Knight" de la ATK.

Oricare dintre aceste opțiuni va putea oferi structurii Block Ia o capacitate de încărcare în regiunea LEO de 105 tone, care este deja comparabilă cu capacitatea de încărcare a Saturnului V și a Navetei Spațiale (dacă o numărăm împreună cu naveta).

Aceleași sarcini vor fi rezolvate prin crearea unei scări mari și adaptată la dimensiunea întregului sistem de lansare a celei de-a treia etape criogenice, care va fi capabilă să completeze sistemul în două etape Bloc I (boostere de lansare și etapa centrală) pe motoarele Space Shuttle) cu o a treia etapă, care pentru varianta Block Ia va fi precum am menționat deja, împrumutată de la racheta Delta IV și va oferi, de asemenea, SLS cu o putere de până la 105 tone de sarcină utilă la LEO.

În cele din urmă, sistemul final Block II ar trebui să aibă deja o a treia etapă SLS de dimensiuni complete, proiectată în masă, care va folosi, la fel ca a doua etapă Saturn V, 5 motoare J-2X avansate și va livra 130 de tone de sarcină utilă către LEO.

Dar chiar și în ciuda tuturor acestor 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 considerare opțiunea Falcon 9 Heavy, care ar trebui să asigure un cost de 135 de milioane de dolari pentru un sistem de transfer de combustibil de unică folosință și pentru 53 de tone de sarcină utilă pentru LEO?

Lucrul este că NASA a vizat Luna, Marte și chiar asteroizii și sateliții lui Jupiter! Și Falcon 9 Heavy se dovedește a fi o rachetă prea mică pentru astfel de sarcini …

Imagine

Rachetă nucleară pe Marte!

Dar acesta este, desigur, un subiect pentru un articol separat bun …

PS. După recitirea articolului meu din nou, raportez.

Dacă critic abordările moderne rusești în explorarea spațiului și îi laud pe americani, atunci există motive întemeiate pentru asta.

În 2010, starea programului american de explorare spațială era deplorabilă: programul Space Shuttle era deja programat să se închidă, lansările Ares arătau inconsecvența completă a ideilor Constelației, toate ziarele și revistele americane scriau despre „sclavia spațială rusă” pentru Statele Unite.

Dar, în ultimii 5 ani, industria spațială americană s-a regrupat, a primit finanțarea necesară - și a învățat să trăiască în condiții noi, mai dure.

Va putea cosmonautica rusă să se laude cu acest lucru peste 5 ani - mai ales pe fondul faptului că anul acesta ne aduce vești nefericite despre închiderea programelor Rus-M și PPTS LV, amânarea lansării cosmodromului Vostochny și reducerea totală a finanțării Roscosmos?

Așteptați și vedeți. Ne țin degetele cu o cruce.

Popular după subiect