Ruský prostor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Předpokládá se, že technologie se vždy vyvíjejí postupně, od jednoduchých ke složitým, od kamenného nože k oceli – a teprve potom k naprogramované frézce. Ukázalo se však, že osud vesmírné rakety není tak přímočarý. Vytvoření jednoduchých, spolehlivých jednostupňových raket zůstalo konstruktérům po dlouhou dobu nepřístupné.

Vyžadovala se řešení, která nemohli nabídnout materiální vědci ani inženýři motorů. Až dosud zůstávají nosné rakety vícestupňové a na jedno použití: neuvěřitelně složitý a drahý systém se používá několik minut a pak se vyhodí.

„Představte si, že byste před každým letem sestavili nové letadlo: připojili byste trup ke křídlům, položili elektrické kabely, nainstalovali motory a po přistání byste ho poslali na vrakoviště… Tak daleko létat nemůžete “, řekli nám vývojáři State Missile Center. Makeeva. "Ale to je přesně to, co děláme pokaždé, když posíláme náklad na oběžnou dráhu." Samozřejmě ideálně by každý chtěl mít spolehlivou jednostupňovou „mašinu“, která nevyžaduje montáž, ale dorazí na kosmodrom, natankuje a vypustí. A pak se to vrátí a začne znovu - a znovu "…

Na půli cesty

Celkově se raketová technika snažila vystačit s jednou fází od prvních projektů. V počátečních skicách Ciolkovského se právě takové struktury objevují. Tuto myšlenku opustil až později, protože si uvědomil, že technologie počátku dvacátého století neumožňují realizovat toto jednoduché a elegantní řešení. Zájem o jednostupňové nosiče se znovu objevil v 60. letech a takové projekty se připravovaly na obou stranách oceánu. V 70. letech 20. století Spojené státy pracovaly na jednostupňových raketách SASSTO, Phoenix a několika řešeních založených na S-IVB, třetím stupni nosné rakety Saturn V, která dopravila astronauty na Měsíc.

CORONA se musí stát robotickou a obdržet inteligentní software pro řídicí systém. Software se bude moci aktualizovat přímo za letu a v nouzové situaci se automaticky „vrátit“na záložní stabilní verzi.

"Taková možnost by se nelišila nosností, motory na to nestačily, ale stále by to byl jeden stupeň, docela schopný létat na oběžnou dráhu," pokračují inženýři. "Samozřejmě, ekonomicky by to bylo zcela neopodstatněné." Teprve v posledních desetiletích se objevují kompozity a technologie pro práci s nimi, které umožňují udělat nosič jednostupňový a navíc znovupoužitelný. Náklady na takovou „vědecky náročnou“raketu budou vyšší než u tradiční konstrukce, ale budou „rozloženy“na mnoho startů, takže startovací cena bude výrazně nižší než obvyklá úroveň.

Právě znovupoužitelnost médií je dnes hlavním cílem vývojářů. Systémy Space Shuttle a Energia-Buran byly částečně znovupoužitelné. Opakované použití prvního stupně se testuje pro rakety SpaceX Falcon 9. SpaceX už má za sebou několik úspěšných přistání a koncem března se pokusí znovu vypustit jeden ze stupňů, který letěl do vesmíru. „Podle našeho názoru může tento přístup pouze zdiskreditovat myšlenku vytvoření skutečného znovu použitelného média,“poznamenává Makeev Design Bureau. "Po každém letu musíte takovou raketu vyřešit, nainstalovat spoje a nové jednorázové součástky… a jsme zase tam, kde jsme začali."

Plně znovupoužitelná média jsou zatím pouze ve formě projektů – s výjimkou New Shepard americké společnosti Blue Origin. Raketa s pilotovanou kapslí je zatím určena pouze pro suborbitální lety vesmírných turistů, ale většinu nalezených řešení v tomto případě lze snadno škálovat pro vážnější orbitální nosič. Zástupci společnosti se netají svými plány na vytvoření takové možnosti, pro kterou se již vyvíjejí výkonné motory BE-3 a BE-4. "S každým suborbitálním letem se přibližujeme k oběžné dráze," ujistil Blue Origin. Jejich nadějný nosič, New Glenn, ale také nebude plně znovupoužitelný: znovu použit by měl být pouze první blok, vytvořený na základě již testovaného designu New Shepard.

Odolnost materiálu

Materiály CFRP potřebné pro plně znovupoužitelné a jednostupňové rakety se v letecké technice používají od 90. let 20. století. Ve stejných letech začali inženýři z McDonnell Douglas rychle implementovat projekt Delta Clipper (DC-X) a dnes se mohli pochlubit hotovým a létajícím nosičem z uhlíkových vláken. Bohužel pod tlakem Lockheed Martin byly práce na DC-X přerušeny, technologie byly převedeny do NASA, kde se je pokusili využít pro neúspěšný projekt VentureStar, po kterém mnoho inženýrů zabývajících se tímto tématem odešlo pracovat do Blue Origin, a samotnou společnost převzal Boeing.

Ve stejných 90. letech se o tento úkol začal zajímat ruský SRC Makeev. V průběhu let od té doby prošel projekt KORONA ("Vesmírná raketa, jednostupňový nosič [vesmírných] vozidel") znatelným vývojem a přechodné verze ukazují, jak se design a uspořádání stávalo stále jednodušší a dokonalejší. Postupně vývojáři opouštěli složité prvky – jako jsou křídla nebo vnější palivové nádrže – a dospěli k názoru, že hlavním materiálem karoserie by měla být uhlíková vlákna. Spolu se vzhledem se změnila jak hmotnost, tak i nosnost. „S použitím i těch nejlepších moderních materiálů není možné postavit jednostupňovou raketu vážící méně než 60–70 tun, přičemž její nosnost bude velmi malá,“říká jeden z vývojářů. - Ale jak roste startovací hmota, struktura (do určitého limitu) tvoří stále menší podíl a je stále výhodnější ji používat. Pro orbitální raketu je toto optimum asi 160-170 tun, počínaje tímto měřítkem lze její použití již ospravedlnit.

V nejnovější verzi projektu KORONA je startovací hmotnost ještě vyšší a blíží se 300 t. Tak velká jednostupňová raketa vyžaduje použití vysoce účinného proudového motoru na kapalné pohonné hmoty pracujícího na vodík a kyslík. Na rozdíl od motorů na samostatných stupních musí takový raketový motor na kapalná paliva „umět“pracovat ve velmi odlišných podmínkách a v různých výškách, včetně startu a letu mimo atmosféru. „Konvenční motor na kapalné palivo s tryskami Laval je účinný pouze v určitých výškových rozsazích,“vysvětlují konstruktéři Makeyevka, „proto jsme dospěli k potřebě použít raketový motor s klínovým vzduchem. Proud plynu v takových motorech se automaticky přizpůsobuje tlaku „přes palubu“a zůstávají účinné jak na povrchu, tak vysoko ve stratosféře.

Nákladní kontejner

Ve světě zatím žádný fungující motor tohoto typu neexistuje, i když se jimi jak u nás, tak v USA řešilo a řeší. V 60. letech 20. století inženýři Rocketdyne testovali takové motory na stojanu, ale k instalaci na rakety nepřišly. CROWN by měl být vybaven modulární verzí, ve které je klínová vzduchová tryska jediným prvkem, který zatím nemá prototyp a není testován. V Rusku jsou také všechny technologie na výrobu kompozitních dílů - byly vyvinuty a úspěšně se používají například ve Všeruském institutu leteckých materiálů (VIAM) a v JSC Kompozit.

Vertikální střih

Při letu v atmosféře bude nosná konstrukce KORONA z uhlíkových vláken pokryta tepelně stínícími dlaždicemi vyvinutými společností VIAM pro Burany a od té doby byly znatelně vylepšeny."Hlavní tepelná zátěž naší rakety se soustředí na její" nos ", kde jsou použity prvky tepelné ochrany proti vysoké teplotě, - vysvětlují konstruktéři. - V tomto případě mají rozpínací strany rakety větší průměr a jsou v ostrém úhlu k proudu vzduchu. Tepelné zatížení na nich je menší, což umožňuje použití lehčích materiálů. Tím jsme ušetřili více než 1,5 t. Hmotnost vysokoteplotního dílu nepřesahuje 6 % celkové hmotnosti tepelné ochrany. Pro srovnání, v Shuttles to představuje více než 20 %.

Elegantní zúžený design média je výsledkem bezpočtu pokusů a omylů. Podle vývojářů, pokud vezmete pouze klíčové vlastnosti možného opakovaně použitelného jednostupňového nosiče, budete muset zvážit asi 16 000 jejich kombinací. Stovky z nich ocenili designéři při práci na projektu. "Rozhodli jsme se opustit křídla, jako na Buranu nebo raketoplánu," říkají. - Celkově vzato, v horních vrstvách atmosféry zasahují pouze do kosmických lodí. Takové lodě vstupují do atmosféry nadzvukovou rychlostí, která není lepší než „železo“, a teprve při nadzvukové rychlosti se přepnou na horizontální let a mohou se náležitě spolehnout na aerodynamiku křídel.“

Osově symetrický tvar kužele umožňuje nejen snazší tepelnou ochranu, ale má také dobrou aerodynamiku při jízdě ve velmi vysokých rychlostech. Již ve vyšších vrstvách atmosféry dostává raketa vztlak, který jí umožňuje zde nejen brzdit, ale i manévrovat. To zase umožňuje provádět potřebné manévry ve velké výšce, směřující k místu přistání, a v budoucím letu bude nutné pouze dokončit brzdění, upravit kurz a zatočit na záď pomocí slabého posunu. motory.

Připomeňme jak Falcon 9, tak New Shepard: na vertikálním přistání dnes není nic nemožného nebo dokonce neobvyklého. Zároveň umožňuje obejít se s výrazně menšími silami při stavbě a provozu dráhy - dráha, na které přistávaly stejné Shuttles a Buran, musela mít délku několika kilometrů, aby vozidlo zabrzdila na rychlostí stovek kilometrů za hodinu. „CROWN může v principu dokonce vzlétnout z pobřežní plošiny a přistát na ní,“dodává jeden z autorů projektu, „finální přesnost přistání bude asi 10 m, raketa je spuštěna na výsuvné pneumatické tlumiče. Zbývá jen provést diagnostiku, natankovat, umístit nový náklad – a můžete znovu létat.

KORONA se stále realizuje bez finančních prostředků, takže vývojářům Makeev Design Bureau se podařilo dostat pouze do posledních fází návrhu návrhu. „Touto fází jsme prošli téměř zcela a zcela nezávisle, bez vnější podpory. Už jsme udělali vše, co se udělat dalo, - říkají designéři. - Víme, co, kde a kdy by se mělo vyrábět. Nyní musíme přejít k praktickému návrhu, výrobě a vývoji klíčových jednotek, a to vyžaduje peníze, takže nyní vše závisí na nich."

Opožděný start

Raketa CFRP očekává pouze start ve velkém měřítku, po obdržení potřebné podpory jsou konstruktéři připraveni zahájit letové zkoušky za šest let a za sedm až osm let - zahájit experimentální provoz prvních raket. Odhadují, že to vyžaduje méně než 2 miliardy dolarů – podle standardů raketové vědy nic moc. Návratnost investice přitom lze očekávat po sedmi letech používání rakety, pokud počet komerčních startů zůstane na současné úrovni, nebo dokonce za 1,5 roku – pokud poroste projektovanými tempy.

Kromě toho přítomnost manévrovacích motorů, setkání a dokovacích zařízení na raketě umožňuje počítat se složitými schématy startu s více starty. Tím, že utratíte palivo ne na přistání, ale na přidání užitečného zatížení, můžete jej přivést na hmotnost více než 11 tun. Poté CROWN zakotví s druhým, „tankerem“, který doplní své nádrže dalším palivem nezbytným pro návrat. Mnohem důležitější je ale opětovná použitelnost, která nás poprvé zbaví nutnosti shromažďovat média před každým spuštěním – a po každém spuštění je ztrácet. Jen takový přístup může zajistit vytvoření stabilního obousměrného dopravního proudu mezi Zemí a oběžnou dráhou a zároveň začátek skutečného, aktivního, rozsáhlého využívání blízkozemského prostoru.

Mezitím CROWN zůstává v limbu, práce na New Shepard pokračují. Rozvíjí se také podobný japonský projekt RVT. Ruští vývojáři možná prostě nemají dostatečnou podporu pro průlom. Pokud máte pár miliard navíc, je to mnohem lepší investice než i ta největší a nejluxusnější jachta na světě.