Orosz tér

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Úgy gondolják, hogy a technológiák mindig fokozatosan fejlődnek, az egyszerűtől a bonyolultig, a kőkéstől az acélig - és csak azután a programozott marógépig. Az űrrakéta sorsa azonban nem volt ilyen egyszerű. Az egyszerű, megbízható egyfokozatú rakéták létrehozása hosszú ideig elérhetetlen maradt a tervezők számára.

Olyan megoldásokra volt szükség, amelyeket sem az anyagtudósok, sem a motormérnökök nem tudtak kínálni. Mostanáig a hordozórakéta többlépcsős és eldobható maradt: egy hihetetlenül bonyolult és drága rendszert néhány percig használnak, majd kidobnak.

„Képzeld el, hogy minden repülés előtt összeállítasz egy új gépet: összekötöd a törzset a szárnyakkal, lefekteted az elektromos kábeleket, beépíted a hajtóműveket, majd leszállás után egy roncstelepre küldöd… Nem tudsz olyan messzire repülni.” – mondták el lapunknak az Állami Rakétaközpont fejlesztői. Makeeva. „De pontosan ezt tesszük minden alkalommal, amikor rakományt küldünk pályára. Természetesen ideális esetben mindenki szeretne egy megbízható, összeszerelést nem igénylő egyfokozatú "gépet", amely feltankolva és vízre bocsátva érkezik a kozmodromba. Aztán visszajön és újra kezdődik - és újra "…

Félúton

A rakéta általában a legkorábbi projektek egy szakaszával próbált boldogulni. Ciolkovszkij kezdeti vázlatain éppen ilyen szerkezetek jelennek meg. Ezt az elképzelést csak később adta fel, ráébredve, hogy a huszadik század elejének technológiái nem teszik lehetővé ennek az egyszerű és elegáns megoldásnak a megvalósítását. Az 1960-as években ismét feltámadt az érdeklődés az egyfokozatú fuvarozók iránt, és az óceán mindkét partján folytak ilyen projektek kidolgozása. Az 1970-es évekre az Egyesült Államok egyfokozatú SASSTO, Phoenix rakétákon és számos megoldáson dolgozott, amelyek az S-IVB-n alapultak, a Saturn V hordozórakéta harmadik fokozatán, amely űrhajósokat szállított a Holdra.

A CORONA-nak robottá kell válnia, és intelligens szoftvert kell kapnia a vezérlőrendszerhez. A szoftver képes lesz közvetlenül repülés közben frissíteni, vészhelyzetben pedig automatikusan "visszaáll" a tartalék stabil verzióra.

„Egy ilyen opció teherbírásban nem térne el, a hajtóművek nem voltak erre elég jók, de akkor is egy lépcsős lenne, amely eléggé képes pályára repülni” – folytatják a mérnökök. – Természetesen gazdaságilag teljesen indokolatlan lenne. Csak az elmúlt évtizedekben jelentek meg a kompozitok és a velük való munkavégzésre szolgáló technológiák, amelyek lehetővé teszik a hordozó egylépcsőssé tételét, ráadásul újrafelhasználhatóvá tételét. Egy ilyen „tudományintenzív” rakéta költsége magasabb lesz, mint a hagyományos kiviteleké, de sok kilövésre „eloszlik”, így a kilövési ára lényegesen alacsonyabb lesz a megszokott szintnél.

A média újrafelhasználhatósága ma a fejlesztők fő célja. A Space Shuttle és az Energia-Buran rendszerek részben újrafelhasználhatóak voltak. A SpaceX Falcon 9 rakétákon tesztelik az első fokozat ismételt felhasználását, a SpaceX már több sikeres leszállást is végrehajtott, március végén pedig ismét megpróbálják elindítani az űrbe repült egyik fokozatot. „Véleményünk szerint ez a megközelítés csak hiteltelenné teheti a valódi újrafelhasználható adathordozó létrehozásának gondolatát” – jegyzi meg a Makeev Design Bureau. "Még minden repülés után ki kell rendezni egy ilyen rakétát, be kell szerelni a csatlakozásokat és az új eldobható alkatrészeket… és máris visszatérünk oda, ahonnan elindultunk."

A teljesen újrafelhasználható adathordozók továbbra is csak projektek formájában léteznek – az amerikai Blue Origin cég New Shepard kivételével. Az emberes kapszulával ellátott rakétát egyelőre csak az űrturisták szuborbitális repülésére tervezték, de az ilyenkor talált megoldások többsége könnyedén méretezhető komolyabb orbitális hordozóra is. A cég képviselői nem titkolják, hogy tervezik egy ilyen lehetőség létrehozását, amelyhez már fejlesztik a nagy teljesítményű BE-3 és BE-4 motorokat. "Minden szuborbitális repüléssel megközelítjük a pályát" - biztosította a Blue Origin. De az ígéretes hordozójuk, a New Glenn sem lesz teljesen újrafelhasználható: csak az első blokkot, amelyet a már tesztelt New Shepard dizájn alapján készítettek, szabad újra felhasználni.

Anyagellenállás

A teljesen újrafelhasználható és egyfokozatú rakétákhoz szükséges CFRP anyagokat az 1990-es évek óta használják az űrtechnológiában. Ugyanebben az évben a McDonnell Douglas mérnökei gyorsan megkezdték a Delta Clipper (DC-X) projekt megvalósítását, és ma már kész és repülő szénszálas hordozóval büszkélkedhettek. Sajnos a Lockheed Martin nyomására a DC-X-en végzett munka leállt, a technológiák átkerültek a NASA-hoz, ahol megpróbálták felhasználni őket a sikertelen VentureStar projekthez, ami után sok e témában érintett mérnök a Blue Originhez ment dolgozni. magát a céget pedig a Boeing vette át.

Ugyanebben az 1990-es években az orosz SRC Makeev érdeklődött e feladat iránt. Az azóta eltelt évek során a KORONA projekt ("Space rakéta, egyfokozatú [űrjárművek") észrevehető fejlődésen ment keresztül, és a köztes verziók azt mutatják meg, hogy a tervezés és az elrendezés hogyan vált egyre egyszerűbbé és tökéletesebbé. A fejlesztők fokozatosan elhagyták az összetett elemeket - például a szárnyakat vagy a külső üzemanyagtartályokat -, és arra jutottak, hogy a test fő anyaga szénszál legyen. A megjelenéssel együtt a súly és a teherbírás is megváltozott. „A legjobb modern anyagok felhasználásával sem lehet 60-70 tonnánál kisebb tömegű egyfokozatú rakétát építeni, miközben a hasznos teherbírása nagyon kicsi lesz” – mondja az egyik fejlesztő. - De ahogy nő a kiinduló tömeg, úgy a szerkezet (egy bizonyos határig) egyre kisebb részt vesz ki, és egyre kifizetődőbb a használata. Egy orbitális rakétánál ez az optimum körülbelül 160-170 tonna, ebből a léptékből kiindulva már indokolható a használata."

A KORONA projekt legújabb verziójában az indító tömeg még nagyobb, megközelíti a 300 tonnát. Egy ilyen nagyméretű egyfokozatú rakétához rendkívül hatékony, hidrogénnel és oxigénnel működő folyékony hajtóanyagú sugárhajtómű szükséges. Ellentétben a külön fokozatban lévő hajtóművekkel, az ilyen folyékony hajtóanyagú rakétahajtóműveknek nagyon eltérő körülmények között és különböző magasságokban kell „képesnek lenniük”, beleértve a felszállást és a légkörön kívüli repülést is. „A Laval fúvókákkal ellátott hagyományos folyékony hajtóanyagú motorok csak bizonyos magassági tartományokban hatékonyak” – magyarázzák a Makeyevka tervezői – „ezért jutottunk el ahhoz az igényhez, hogy éklevegős rakétahajtóművet használjunk.” Az ilyen motorokban a gázsugár automatikusan alkalmazkodik a „bordó feletti” nyomáshoz, és hatékonyak maradnak mind a felszínen, mind a magas sztratoszférában.

Hasznos teher konténer

Egyelőre nincs ilyen típusú működő motor a világon, pedig nálunk és az USA-ban is foglalkoztak és foglalkoznak velük. Az 1960-as években a Rocketdyne mérnökei az ilyen hajtóműveket egy állványon tesztelték, de rakétákra nem telepítették őket. A CROWN-t fel kell szerelni egy moduláris változattal, amelyben az ék-levegő fúvóka az egyetlen olyan elem, amelynek még nincs prototípusa, és nem tesztelték. Az összes technológia létezik a kompozit alkatrészek gyártásához Oroszországban - ezeket fejlesztették ki és sikeresen használják például az All-Oroszország Repülési Anyagok Intézetében (VIAM) és a JSC Kompozitnál.

Függőleges illeszkedés

Az atmoszférában való repülés során a KORONA szénszálas teherhordó szerkezetet hővédő lapokkal vonják be, amelyeket a VIAM fejlesztett ki a Burans számára, és azóta érezhetően továbbfejlesztették."A rakétánk fő hőterhelése az orrára összpontosul, ahol magas hőmérsékletű hővédő elemeket használnak" - magyarázzák a tervezők. - Ebben az esetben a rakéta táguló oldalai nagyobb átmérőjűek, és hegyesszöget zárnak be a légáramlással. A rájuk ható hőterhelés kisebb, ami lehetővé teszi könnyebb anyagok használatát. Ennek eredményeként több mint 1,5 tonnát spóroltunk meg A magas hőmérsékletű rész tömege nem haladja meg a hővédelem teljes tömegének 6%-át. Összehasonlításképpen: a Shuttle-ekben ez több mint 20%-ot tesz ki.

A hordozók letisztult, kúpos kialakítása számtalan próbálkozás és hiba eredménye. A fejlesztők szerint, ha csak a lehetséges újrafelhasználható egyfokozatú hordozó legfontosabb jellemzőit vesszük figyelembe, ezek körülbelül 16 000 kombinációját kell figyelembe venni. Közülük több százat értékeltek a tervezők, miközben a projekten dolgoztak. „Úgy döntöttünk, hogy elhagyjuk a szárnyakat, mint például a Buran vagy az Space Shuttle esetében” – mondják. - Nagyjából a felső légkörben csak az űrhajókat zavarják. Az ilyen hajók hiperszonikus sebességgel lépnek be a légkörbe nem jobban, mint egy "vas", és csak szuperszonikus sebességgel kapcsolnak át vízszintes repülésre, és megfelelően támaszkodhatnak a szárnyak aerodinamikájára."

A tengelyszimmetrikus kúpforma nemcsak könnyebb hővédelmet tesz lehetővé, hanem jó aerodinamikával is rendelkezik, ha nagyon nagy sebességgel haladunk. A rakéta már a légkör felső rétegeiben emelést kap, ami itt nemcsak fékezni, hanem manőverezni is képes. Ez pedig lehetővé teszi a szükséges manőverek elvégzését nagy magasságban, a leszállóhely felé tartva, és a jövőbeni repülésnél már csak a fékezést, az irányt korrigálni és a hátsó lefelé kanyarodást kell elvégezni, gyenge tolatással. motorok.

Idézzük fel mind a Falcon 9-et, mind a New Shepardot: ma már nincs lehetetlen vagy akár szokatlan a függőleges leszállásban. Ugyanakkor lehetővé teszi, hogy a kifutópálya építése és üzemeltetése során lényegesen kisebb erőkkel boldoguljunk - annak a kifutónak, amelyen ugyanazok a Shuttle-ek és a Buran landoltak, több kilométer hosszúságúnak kellett lennie ahhoz, hogy a jármű lefékezzen. több száz kilométer per órás sebességgel. "A CROWN elvileg akár egy offshore platformról is felszállhat és leszállhat rá" - teszi hozzá a projekt egyik szerzője - "a végső leszállási pontosság körülbelül 10 m lesz, a rakétát visszahúzható pneumatikus lengéscsillapítókra engedik le. Már csak a diagnosztika, tankolás, új rakomány elhelyezése van hátra – és máris mehet a repülés.

A KORONA finanszírozás hiányában még mindig megvalósítás alatt áll, így a Makeev Tervező Iroda fejlesztőinek csak a tervezet végső szakaszáig sikerült eljutniuk. „Ezen a szakaszon szinte teljesen és teljesen önállóan, külső támogatás nélkül túljutottunk. Már mindent megtettünk, amit lehetett – mondják a tervezők. - Tudjuk, mit, hol és mikor kell előállítani. Most át kell lépnünk a kulcsfontosságú egységek gyakorlati tervezésére, gyártására és fejlesztésére, ehhez pedig pénz kell, így most már minden rajtuk múlik."

Késleltetett indítás

A CFRP rakéta csak nagyszabású kilövésre számít, a szükséges támogatás megszerzése után a tervezők hat év múlva készen állnak a repülési tesztek megkezdésére, hét-nyolc év múlva pedig az első rakéták kísérleti működésének megkezdésére. Becsléseik szerint ehhez kevesebb mint 2 milliárd dollárra van szükség – rakétatudományi mércével mérve ez nem sok. A befektetés megtérülése ugyanakkor hét évnyi rakétahasználat után várható, ha a kereskedelmi kilövések száma a jelenlegi szinten marad, vagy akár 1,5 év múlva is - ha a tervezett ütemben nő.

Ezenkívül a manőverező hajtóművek, a találkozási és a dokkolóeszközök jelenléte a rakétán lehetővé teszi, hogy összetett, több kilövésű kilövési sémákkal számoljunk. Ha nem a leszállásra, hanem a hasznos teher hozzáadására költi az üzemanyagot, több mint 11 tonnás tömegre hozhatja azt. Ezután a CROWN kiköt a második, "tanker"-hez, amely feltölti a tartályait a visszatéréshez szükséges további üzemanyaggal. De még mindig sokkal fontosabb az újrafelhasználhatóság, amely először mentesít bennünket attól, hogy minden indulás előtt össze kell gyűjtenünk a médiát – és minden indítás után elveszítjük. Csak egy ilyen megközelítés biztosíthatja a stabil kétirányú forgalom megteremtését a Föld és a pálya között, és egyben a földközeli tér valódi, aktív, nagyszabású kiaknázásának kezdetét.

Addig is a CROWN bizonytalan marad, a New Shepard-on folyó munka folytatódik. Hasonló japán projekt az RVT is fejlesztés alatt áll. Lehet, hogy az orosz fejlesztők egyszerűen nem rendelkeznek kellő támogatással az áttöréshez. Ha van pár milliárd tartaléka, ez sokkal jobb befektetés, mint a világ legnagyobb és legfényűzőbb jachtja.