Rusijos erdvė

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Manoma, kad technologijos visada vystosi palaipsniui, nuo paprastų iki sudėtingų, nuo akmeninio peilio iki plieno – ir tik po to iki užprogramuotos frezavimo staklės. Tačiau kosminės raketos likimas pasirodė ne toks jau paprastas. Paprastų, patikimų vienpakopių raketų kūrimas ilgą laiką buvo nepasiekiamas dizaineriams.

Reikėjo sprendimų, kurių negalėjo pasiūlyti nei medžiagų mokslininkai, nei variklių inžinieriai. Iki šiol nešančiosios raketos išlieka daugiapakopės ir vienkartinės: neįtikėtinai sudėtinga ir brangi sistema naudojama keletą minučių, o paskui išmetama.

„Įsivaizduokite, kad prieš kiekvieną skrydį surinktumėte naują lėktuvą: sujungtumėte fiuzeliažą su sparnais, nutiestumėte elektros laidus, sumontuotumėte variklius, o nusileidę siųstumėte į šiukšlyną… Taip toli nuskristi nepavyks. “, – pasakojo Valstybinio raketų centro kūrėjai. Makeeva. „Tačiau būtent tai darome kiekvieną kartą, kai siunčiame krovinius į orbitą. Žinoma, idealiu atveju visi norėtų turėti patikimą vienos pakopos „mašiną“, kuri nereikalauja surinkimo, o atvyksta į kosmodromą, pripilta kuro ir paleidžiama. Ir tada jis grįžta ir vėl prasideda - ir vėl …

Pusiaukelėje

Apskritai, raketos bandė išsiversti su vienu etapu nuo ankstyviausių projektų. Pirmuosiuose Ciolkovskio eskizuose atsiranda kaip tik tokios struktūros. Šios idėjos jis atsisakė tik vėliau, suprasdamas, kad XX amžiaus pradžios technologijos neleidžia realizuoti šio paprasto ir elegantiško sprendimo. Susidomėjimas vienpakopiais vežėjais vėl kilo septintajame dešimtmetyje, tokie projektai buvo rengiami abiejose vandenyno pusėse. Iki aštuntojo dešimtmečio Jungtinės Valstijos kūrė vienpakopes raketas SASSTO, Phoenix ir keletą sprendimų, pagrįstų S-IVB – trečiąja nešančiosios raketos Saturn V pakopa, nugabenusia astronautus į Mėnulį.

CORONA turi tapti robotizuota ir gauti išmaniąją valdymo sistemos programinę įrangą. Programinė įranga galės atnaujinti tiesiogiai skrydžio metu, o kritinėje situacijoje automatiškai „grįš“į atsarginę stabilią versiją.

„Toks variantas nesiskirtų keliamoji galia, varikliai tam nebuvo pakankamai geri, bet vis tiek būtų vieno etapo, galintis išskristi į orbitą“, – tęsia inžinieriai. – Žinoma, ekonomiškai tai būtų visiškai nepateisinama. Kompozitai ir darbo su jais technologijos atsirado tik pastaraisiais dešimtmečiais, leidžiančios nešiklį paversti vienpakopiu, be to, daugkartiniu. Tokios „mokslui imlios“raketos savikaina bus didesnė nei tradicinės konstrukcijos, tačiau ji bus „išskirstyta“per daugelį paleidimų, todėl paleidimo kaina bus ženkliai mažesnė nei įprasta.

Būtent daugialypės terpės naudojimas yra pagrindinis kūrėjų tikslas šiandien. „Space Shuttle“ir „Energia-Buran“sistemos buvo iš dalies pakartotinai naudojamos. Pirmosios pakopos pakartotinis panaudojimas bandomas raketoms SpaceX Falcon 9. SpaceX jau kelis kartus sėkmingai nusileido, o kovo pabaigoje vėl bandys paleisti vieną iš į kosmosą skridusių pakopų. „Mūsų nuomone, toks požiūris gali tik diskredituoti idėją sukurti tikrą daugkartinio naudojimo laikmeną“, – pažymi Makeevo dizaino biuras. „Vis tiek turite sutvarkyti tokią raketą po kiekvieno skrydžio, įdiegti jungtis ir naujus vienkartinius komponentus… ir mes grįžtame ten, kur pradėjome.

Visiškai daugkartinio naudojimo laikmenos vis dar yra tik projektų pavidalu – išskyrus amerikiečių kompanijos „Blue Origin“sukurtą „New Shepard“. Kol kas raketa su pilotuojama kapsule skirta tik kosminių turistų suborbitiniams skrydžiams, tačiau daugumą šiuo atveju rastų sprendimų galima nesunkiai pritaikyti rimtesniam orbitiniam nešikliui. Įmonės atstovai neslepia planų sukurti tokią galimybę, kuriai jau kuriami galingi varikliai BE-3 ir BE-4. „Su kiekvienu suborbitiniu skrydžiu artėjame prie orbitos“, – patikino „Blue Origin“. Tačiau daug žadantis jų laikiklis „New Glenn“taip pat nebus visiškai pakartotinai naudojamas: pakartotinai turėtų būti naudojamas tik pirmasis blokas, sukurtas pagal jau išbandytą „New Shepard“dizainą.

Medžiagos atsparumas

CFRP medžiagos, reikalingos pilnai daugkartinėms ir vienos pakopos raketoms, buvo naudojamos aviacijos ir kosmoso technologijose nuo 1990 m. Tais pačiais metais McDonnell Douglas inžinieriai greitai pradėjo įgyvendinti Delta Clipper (DC-X) projektą ir šiandien gali pasigirti paruoštu ir skraidančiu anglies pluošto nešikliu. Deja, spaudžiant Lockheed Martin, darbas su DC-X buvo nutrauktas, technologijos buvo perduotos NASA, kur jas bandė panaudoti nesėkmingam VentureStar projektui, po kurio daugelis su šia tema susijusių inžinierių išvyko dirbti į Blue Origin. o pačią įmonę perėmė „Boeing“.

Tais pačiais 1990-aisiais šia užduotimi susidomėjo Rusijos SRC Makejevas. Bėgant metams, projektas KORONA („Kosmoso raketa, vienpakopis [kosminių] transporto priemonių nešiklis“) patyrė pastebimą evoliuciją, o tarpinės versijos rodo, kaip dizainas ir išdėstymas tapo vis paprastesni ir tobulesni. Pamažu kūrėjai atsisakė sudėtingų elementų – tokių kaip sparnai ar išoriniai kuro bakai – ir suprato, kad pagrindinė korpuso medžiaga turėtų būti anglies pluoštas. Kartu su išvaizda keitėsi ir svoris, ir keliamoji galia. „Panaudojant net geriausias šiuolaikines medžiagas, neįmanoma sukurti vienpakopės raketos, sveriančios mažiau nei 60–70 tonų, o jos naudingoji apkrova bus labai maža“, – sako vienas iš kūrėjų. – Tačiau augant pradinei masei struktūrai (iki tam tikros ribos) tenka vis mažesnė dalis, ir ją naudoti tampa vis pelningiau. Orbitinei raketai šis optimalumas yra apie 160–170 tonų, pradedant nuo tokio masto, jos naudojimas jau gali būti pateisinamas.

Naujausioje KORONA projekto versijoje paleidimo masė dar didesnė ir artėja prie 300 tonų. Tokiai didelei vienos pakopos raketai reikia naudoti itin efektyvų skystojo kuro reaktyvinį variklį, veikiantį vandeniliu ir deguonimi. Skirtingai nuo atskirų pakopų variklių, toks skysto kuro raketinis variklis turi „galėti“veikti labai skirtingomis sąlygomis ir skirtinguose aukščiuose, įskaitant kilimą ir skrydį už atmosferos ribų. „Įprastas skysto kuro variklis su Laval purkštukais yra efektyvus tik tam tikruose aukščio diapazonuose“, – aiškina Makejevkos dizaineriai, – „todėl mes priėjome prie poreikio naudoti pleišto oro raketinį variklį“. Dujų srovė tokiuose varikliuose automatiškai prisitaiko prie slėgio „už borto“, ir jie išlieka efektyvūs tiek paviršiuje, tiek aukštai stratosferoje.

Naudingojo krovinio konteineris

Pasaulyje kol kas dar nėra veikiančio tokio tipo variklio, nors su jais buvo ir yra susidorojama tiek mūsų šalyje, tiek JAV. 1960-aisiais „Rocketdyne“inžinieriai išbandė tokius variklius ant stovo, tačiau jie nebuvo pradėti montuoti ant raketų. CROWN turėtų būti komplektuojama su moduline versija, kurioje pleišto oro antgalis yra vienintelis elementas, kuris dar neturi prototipo ir nebuvo išbandytas. Taip pat Rusijoje yra visos kompozicinių dalių gamybos technologijos – jos buvo sukurtos ir sėkmingai naudojamos, pavyzdžiui, Visos Rusijos aviacijos medžiagų institute (VIAM) ir UAB „Kompozit“.

Vertikaliai tinka

Skrendant atmosferoje, KORONA anglies pluošto laikančioji konstrukcija bus padengta nuo karščio apsaugančiomis plytelėmis, kurias VIAM sukūrė Buranams ir nuo to laiko buvo pastebimai patobulinta.„Pagrindinė mūsų raketos šiluminė apkrova sutelkta į jos“nosį “, kur naudojami aukštos temperatūros šiluminės apsaugos elementai“, – aiškina dizaineriai. – Šiuo atveju besiplečiančios raketos pusės yra didesnio skersmens ir yra staigiu kampu oro srauto atžvilgiu. Šiluminė apkrova jiems yra mažesnė, todėl galima naudoti lengvesnes medžiagas. Dėl to sutaupėme daugiau nei 1,5 tonos Aukštatemperatūrinės dalies masė neviršija 6% visos šiluminės apsaugos masės. Palyginimui, Shuttles jis sudaro daugiau nei 20%.

Aptakus smailėjantis laikmenos dizainas yra daugybės bandymų ir klaidų rezultatas. Kūrėjų teigimu, jei imsite tik pagrindines galimo daugkartinio vienpakopio nešiklio charakteristikas, teks svarstyti apie 16 000 jų derinių. Šimtus jų įvertino dizaineriai dirbdami prie projekto. „Mes nusprendėme atsisakyti sparnų, pavyzdžiui, Burano ar kosminio šautuvo“, – sako jie. - Apskritai viršutiniuose atmosferos sluoksniuose jie tik trukdo erdvėlaiviams. Tokie laivai į atmosferą patenka ne geresniu nei „geležis“hipergarsiniu greičiu, o tik viršgarsiniu greičiu pereina į horizontalų skrydį ir gali tinkamai pasikliauti sparnų aerodinamika.

Ašiesimetrinė kūgio forma ne tik leidžia lengviau apsaugoti nuo šiluminės apsaugos, bet ir pasižymi gera aerodinamika važiuojant labai dideliu greičiu. Jau viršutiniuose atmosferos sluoksniuose raketa gauna pakėlimą, leidžiantį čia ne tik stabdyti, bet ir manevruoti. Tai, savo ruožtu, leidžia atlikti reikiamus manevrus dideliame aukštyje, važiuojant į nusileidimo vietą, o būsimame skrydžio metu reikės tik užbaigti stabdymą, pakoreguoti kursą ir pasukti laivagalį žemyn, naudojant silpną manevravimą. variklius.

Prisiminkite ir „Falcon 9“, ir „New Shepard“: šiandien vertikaliame nusileidime nėra nieko neįmanomo ar net neįprasto. Kartu tai leidžia išsiversti su žymiai mažesnėmis jėgomis tiesiant ir eksploatuojant kilimo ir tūpimo taką – kilimo ir tūpimo takas, ant kurio nusileido tie patys „Shuttles“ir „Buran“, turėjo būti kelių kilometrų ilgio, kad būtų galima stabdyti transporto priemonę šimtų kilometrų per valandą greičiu. „CROWN iš principo gali pakilti net nuo jūrinės platformos ir ant jos nusileisti“, – priduria vienas iš projekto autorių, – galutinis nusileidimo tikslumas bus apie 10 m, raketa nuleista ant ištraukiamų pneumatinių amortizatorių. Belieka atlikti diagnostiką, papildyti degalus, įdėti naują naudingą krovinį – ir vėl galite skristi.

KORONA vis dar įgyvendinama nesant finansavimo, todėl Makeevo projektavimo biuro kūrėjams pavyko patekti tik į galutinį projekto projekto etapą. „Šį etapą įveikėme beveik visiškai ir visiškai savarankiškai, be išorinės paramos. Jau padarėme viską, ką buvo galima padaryti“, – sako dizaineriai. – Žinome, kas, kur ir kada turi būti gaminama. Dabar reikia pereiti prie praktinio pagrindinių mazgų projektavimo, gamybos ir tobulinimo, o tam reikia pinigų, todėl dabar viskas priklauso nuo jų.

Atidėtas startas

CFRP raketa tikisi tik didelio masto paleidimo, gavę reikiamą paramą, konstruktoriai yra pasirengę po šešerių metų pradėti skrydžio bandymus, o po septynerių ar aštuonerių metų – pradėti eksperimentinį pirmųjų raketų eksploatavimą. Jie apskaičiavo, kad tam reikia mažiau nei 2 milijardų dolerių – raketų mokslo standartais nėra daug. Tuo pat metu investicijų grąžos galima tikėtis po septynerių metų raketos naudojimo, jei komercinių paleidimų skaičius išliks esamame lygyje arba net po 1,5 metų – jei jis augs prognozuotais tempais.

Be to, raketoje esantys manevravimo varikliai, susitikimo ir prijungimo įrenginiai leidžia tikėtis sudėtingų kelių paleidimo schemų. Išleisdami kurą ne nusileidimui, o naudingosios apkrovos pridėjimui, galite atgabenti daugiau nei 11 tonų masę. Tada CROWN prisišvartuotų prie antrojo, „tanklaivio“, kuris savo bakus pripildys papildomu grįžimui reikalingu kuru. Tačiau daug svarbesnis yra pakartotinis naudojimas, kuris pirmą kartą atleis mus nuo būtinybės rinkti laikmenas prieš kiekvieną paleidimą ir prarasti ją po kiekvieno paleidimo. Tik toks požiūris gali užtikrinti stabilaus dvipusio transporto srauto tarp Žemės ir orbitos sukūrimą, o kartu ir tikro, aktyvaus, didelio masto Žemės artimos erdvės eksploatavimo pradžią.

Tuo tarpu CROWN lieka nežinioje, darbas su New Shepard tęsiamas. Taip pat vystomas panašus japonų projektas RVT. Rusijos kūrėjai gali tiesiog neturėti pakankamai palaikymo proveržiui. Jei turite porą milijardų atsargų, tai kur kas geresnė investicija nei net didžiausia ir prabangiausia jachta pasaulyje.