Руски космос

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Смята се, че технологиите винаги се развиват постепенно, от прости към сложни, от каменен нож до стомана - и едва след това до програмирана фрезова машина. Съдбата на космическата ракета обаче не се оказа толкова проста. Създаването на прости, надеждни едностепенни ракети дълго време оставаше недостъпно за дизайнерите.

Изискваха се решения, които нито учените по материали, нито инженерите по двигатели могат да предложат. Досега ракетите-носители остават многостепенни и за еднократна употреба: една невероятно сложна и скъпа система се използва за няколко минути и след това се изхвърля.

„Представете си, че преди всеки полет ще сглобите нов самолет: ще свържете фюзелажа към крилата, ще поставите електрически кабели, ще инсталирате двигателите и след кацане ще го изпратите на сметище… Не можете да летите толкова далеч”, ни казаха разработчиците на Държавния ракетен център. Макеева. „Но точно това правим всеки път, когато изпращаме товари в орбита. Разбира се, в идеалния случай всеки би искал да има надеждна едностепенна „машина“, която не изисква монтаж, но пристига на космодрума, заредена с гориво и изстреляна. И тогава се връща и започва отново - и отново …

На половината път

Като цяло ракетната техника се опита да мине с един етап от най-ранните проекти. В първоначалните скици на Циолковски се появяват точно такива структури. Той се отказва от тази идея едва по-късно, осъзнавайки, че технологиите от началото на ХХ век не позволяват реализирането на това просто и елегантно решение. Интересът към едностепенните носители се появява отново през 60-те години на миналия век и подобни проекти се разработват от двете страни на океана. До 70-те години на миналия век Съединените щати работят върху едностепенни ракети SASSTO, Phoenix и няколко решения, базирани на S-IVB, третата степен на ракетата-носител Сатурн V, която доставя астронавти до Луната.

CORONA трябва да стане робот и да получи интелигентен софтуер за системата за управление. Софтуерът ще може да се актуализира директно по време на полет, а при извънредна ситуация автоматично ще се "връща" към резервната стабилна версия.

„Подобен вариант няма да се различава по товароподемност, двигателите не са достатъчно добри за това, но все пак ще бъде една степен, напълно способна да лети в орбита“, продължават инженерите. "Разбира се, икономически би било напълно неоправдано." Композитите и технологиите за работа с тях се появиха едва през последните десетилетия, които позволяват да се направи носителят едностепенен и освен това многократен. Цената на такава "научно интензивна" ракета ще бъде по-висока от тази на традиционен дизайн, но ще бъде "разпръсната" върху много изстрелвания, така че цената на изстрелване ще бъде значително по-ниска от обичайното ниво.

Многократната употреба на медиите е основната цел на разработчиците днес. Системите Space Shuttle и Energia-Buran бяха частично използвани повторно. Многократното използване на първата степен се тества за ракети SpaceX Falcon 9. SpaceX вече направи няколко успешни кацания, а в края на март ще се опитат да изстрелят отново една от стъпалата, които полетяха в космоса. „Според нас този подход може само да дискредитира идеята за създаване на истински носител за многократна употреба“, отбелязва дизайнерското бюро Макеев. "Все още трябва да подреждате такава ракета след всеки полет, да инсталирате връзки и нови компоненти за еднократна употреба… и се връщаме там, откъдето започнахме."

Напълно многократни медии все още са само под формата на проекти - с изключение на New Shepard на американската компания Blue Origin. Засега ракетата с пилотирана капсула е предназначена само за суборбитални полети на космически туристи, но повечето от намерените решения в случая могат лесно да бъдат мащабирани за по-сериозен орбитален носител. Представители на компанията не крият плановете си да създадат такава опция, за която вече се разработват мощни двигатели BE-3 и BE-4. „С всеки суборбитален полет ние се приближаваме до орбита“, увериха Blue Origin. Но техният обещаващ превозвач, New Glenn, също няма да бъде напълно използваем: само първият блок, създаден на базата на вече тествания дизайн на New Shepard, трябва да бъде използван повторно.

Материална устойчивост

Материалите от CFRP, необходими за напълно многократна употреба и едностепенни ракети, се използват в аерокосмическите технологии от 90-те години на миналия век. През същите години инженерите от McDonnell Douglas бързо започнаха да реализират проекта Delta Clipper (DC-X) и днес можеха да се похвалят с готов и летящ носител от въглеродни влакна. За съжаление, под натиска на Lockheed Martin, работата по DC-X беше прекратена, технологиите бяха прехвърлени в НАСА, където се опитаха да ги използват за неуспешния проект VentureStar, след което много инженери, участващи в тази тема, отидоха на работа в Blue Origin, а самата компания е поета от Boeing.

През същите 90-те години на миналия век руският SRC Makeev се интересува от тази задача. През годините оттогава проектът KORONA („Космична ракета, едностепенен носител [на космически] превозни средства“) претърпя забележима еволюция, а междинните версии показват как дизайнът и оформлението стават все по-прости и по-съвършени. Постепенно разработчиците изоставиха сложни елементи - като крила или външни резервоари за гориво - и стигнаха до разбирането, че основният материал на тялото трябва да бъде въглеродни влакна. Заедно с външния вид се промениха както теглото, така и товароносимостта. „Използвайки дори най-добрите съвременни материали, е невъзможно да се построи едностепенна ракета с тегло по-малко от 60-70 тона, докато полезният й товар ще бъде много малък“, казва един от разработчиците. - Но с нарастването на началната маса структурата (до определен лимит) заема все по-малък дял и става все по-изгодно да се използва. За орбитална ракета този оптимум е около 160-170 тона, като се започне от този мащаб, нейното използване вече може да бъде оправдано.

В последната версия на проекта KORONA стартовата маса е още по-висока и се доближава до 300 т. Такава голяма едностепенна ракета изисква използването на високоефективен реактивен двигател с течно гориво, работещ на водород и кислород. За разлика от двигателите на отделни степени, такъв ракетен двигател с течно гориво трябва да "може" да работи при много различни условия и на различни височини, включително излитане и полет извън атмосферата. „Конвенционалният течно-горивен двигател с дюзи на Laval е ефективен само в определени диапазони на надморска височина“, обясняват конструкторите от Макеевка, „следователно стигнахме до необходимостта да използваме клиново-въздушен ракетен двигател“. Газовата струя в такива двигатели автоматично се настройва към налягането „зад борда“и те остават ефективни както на повърхността, така и високо в стратосферата.

Контейнер за полезен товар

До момента в света няма работещ двигател от този тип, въпреки че с тях се е занимавало и се занимава както у нас, така и в САЩ. През 60-те години на миналия век инженерите на Rocketdyne изпробваха такива двигатели на стенд, но те не стигнаха до монтаж на ракети. CROWN трябва да бъде оборудвана с модулна версия, в която клино-въздушната дюза е единственият елемент, който все още няма прототип и не е тестван. В Русия също има всички технологии за производство на композитни части - те са разработени и успешно се използват, например, във Всеруския институт по авиационни материали (VIAM) и в JSC Kompozit.

Вертикално прилягане

При полет в атмосферата носещата конструкция от въглеродни влакна KORONA ще бъде покрита с топлозащитни плочки, разработени от VIAM за Burans и оттогава са значително подобрени.„Основното топлинно натоварване на нашата ракета е съсредоточено върху нейния „нос“, където се използват високотемпературни термозащитни елементи, - обясняват дизайнерите. - В този случай разширяващите се страни на ракетата имат по-голям диаметър и са под остър ъгъл спрямо въздушния поток. Топлинното натоварване върху тях е по-малко, което позволява използването на по-леки материали. В резултат на това сме спестили повече от 1,5 т. Масата на високотемпературната част не надвишава 6% от общата маса на термозащитата. За сравнение, в совалките той представлява повече от 20%."

Елегантният заострен дизайн на носителя е резултат от безброй опити и грешки. Според разработчиците, ако вземете само ключовите характеристики на възможен едностепенен носител за многократна употреба, ще трябва да вземете предвид около 16 000 комбинации от тях. Стотици от тях бяха оценени от дизайнерите по време на работа по проекта. „Решихме да изоставим крилата, като на Буран или космическата совалка“, казват те. - Като цяло в горните слоеве на атмосферата те пречат само на космическите кораби. Такива кораби навлизат в атмосферата с хиперзвукова скорост, не по-добра от „желязо“, и само при свръхзвукова скорост преминават към хоризонтален полет и могат правилно да разчитат на аеродинамиката на крилата.

Осесиметричната форма на конус не само позволява по-лесна термична защита, но и има добра аеродинамика при шофиране с много високи скорости. Още в горните слоеве на атмосферата ракетата получава повдигане, което й позволява не само да спира тук, но и да маневрира. Това от своя страна дава възможност за извършване на необходимите маневри на голяма височина, насочвайки се към мястото за кацане, и в бъдещия полет ще е необходимо само да завършите спирането, да коригирате курса и да завиете надолу, като използвате слаб маневр двигатели.

Припомнете си както Falcon 9, така и New Shepard: днес няма нищо невъзможно или дори необичайно във вертикалното кацане. В същото време дава възможност за преминаване със значително по-малко сили по време на изграждането и експлоатацията на пистата - пистата, на която кацнаха същите совалки и Буран, трябваше да има дължина от няколко километра, за да спре превозното средство при скорост от стотици километри в час. „CROWN по принцип може дори да излети от офшорна платформа и да кацне на нея“, добавя един от авторите на проекта, „крайната точност на кацане ще бъде около 10 м, ракетата се спуска върху прибиращи се пневматични амортисьори. Остава само да извършите диагностика, да заредите гориво, да поставите нов полезен товар - и можете да летите отново.

KORONA все още се изпълнява при липса на финансиране, така че разработчиците на конструкторското бюро Макеев успяха да стигнат само до последните етапи на проектирането. „Преминахме този етап почти изцяло и напълно самостоятелно, без външна подкрепа. Вече направихме всичко, което можеше да бъде направено, - казват дизайнерите. - Знаем какво, къде и кога трябва да се произвежда. Сега трябва да преминем към практическото проектиране, производство и разработка на ключови единици, а това изисква пари, така че сега всичко зависи от тях."

Отложен старт

Ракетата от CFRP очаква само мащабно изстрелване; след получаване на необходимата подкрепа конструкторите са готови да започнат летни изпитания след шест години и след седем до осем години - да започнат експериментална експлоатация на първите ракети. Те изчисляват, че това изисква по-малко от 2 милиарда долара - не много по стандартите на ракетната наука. В същото време може да се очаква възвръщаемост на инвестициите след седем години използване на ракетата, ако броят на търговските изстрелвания остане на сегашното ниво или дори след 1,5 години - ако расте с прогнозните темпове.

Освен това наличието на маневриращи двигатели, устройства за сближаване и скачване на ракетата дава възможност да се разчита на сложни схеми за многократно изстрелване. Като изразходвате гориво не за кацане, а за добавяне на полезния товар, можете да го доведете до маса от повече от 11 тона. Тогава КОРОНАТА ще акостира с втория, „цистерна“, който ще напълни резервоарите си с допълнително гориво, необходимо за връщането. Но все пак много по-важна е повторната употреба, която за първи път ще ни освободи от необходимостта да събираме носителя преди всяко стартиране - и да го губим след всяко стартиране. Само такъв подход може да осигури създаването на стабилен двупосочен транспортен поток между Земята и орбитата и в същото време началото на истинска, активна, мащабна експлоатация на околоземното пространство.

Междувременно КОРОНАТА остава в неизвестност, работата по New Shepard продължава. Разработва се и подобен японски проект RVT. Руските разработчици може просто да нямат достатъчно подкрепа за пробива. Ако имате свободни няколко милиарда, това е далеч по-добра инвестиция дори от най-голямата и луксозна яхта в света.