Krievu telpa

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Tiek uzskatīts, ka tehnoloģijas vienmēr attīstās pakāpeniski, no vienkāršas līdz sarežģītai, no akmens naža līdz tēraudam - un tikai pēc tam uz programmētu frēzmašīnu. Tomēr kosmosa raķešu liktenis izrādījās ne tik viennozīmīgs. Vienkāršu, uzticamu vienpakāpes raķešu izveide ilgu laiku dizaineriem palika nepieejama.

Bija nepieciešami risinājumi, ko nevarēja piedāvāt ne materiālu zinātnieki, ne dzinēju inženieri. Līdz šim nesējraķetes joprojām ir daudzpakāpju un vienreiz lietojamas: neticami sarežģīta un dārga sistēma tiek izmantota dažas minūtes un pēc tam izmesta.

“Iedomājieties, ka pirms katra lidojuma jūs samontētu jaunu lidmašīnu: savienotu fizelāžu ar spārniem, noliktu elektrības kabeļus, uzstādītu dzinējus un pēc nolaišanās jūs to nosūtītu uz atkritumu krātuvi … Jūs nevarat aizlidot tik tālu.,” mums pastāstīja Valsts raķešu centra izstrādātāji. Makeeva. "Bet tas ir tieši tas, ko mēs darām katru reizi, kad nosūtām kravu orbītā. Protams, ideālā gadījumā katrs vēlētos uzticamu vienpakāpes "mašīnu", kas neprasa montāžu, bet atbrauc uz kosmodromu, uzpildīta un palaists. Un tad tas atgriežas un sākas no jauna - un atkal "…

Pusceļā

Kopumā raķete mēģināja iztikt ar vienu posmu no senākajiem projektiem. Sākotnējās Ciolkovska skicēs parādās tieši šādas struktūras. Viņš no šīs idejas atteicās tikai vēlāk, saprotot, ka divdesmitā gadsimta sākuma tehnoloģijas neļāva realizēt šo vienkāršo un eleganto risinājumu. Interese par vienpakāpes pārvadātājiem atkal radās 60. gados, un šādi projekti tika izstrādāti abās okeāna pusēs. Līdz 20. gadsimta 70. gadiem ASV strādāja pie vienpakāpes raķetēm SASSTO, Phoenix un vairākiem risinājumiem, kuru pamatā bija S-IVB - nesējraķetes Saturn V trešā pakāpe, kas nogādāja astronautus uz Mēnesi.

CORONA jākļūst par robotu un jāsaņem inteliģenta programmatūra vadības sistēmai. Programmatūra varēs atjaunināt tieši lidojuma laikā, un ārkārtas situācijā automātiski "atgriezīsies" uz rezerves stabilo versiju.

"Šāds variants neatšķirtos pēc kravnesības, dzinēji tam nebija pietiekami labi, taču tas joprojām būtu viens posms, diezgan spējīgs izlidot orbītā," turpina inženieri. "Protams, ekonomiski tas būtu pilnīgi nepamatoti." Kompozītmateriāli un tehnoloģijas darbam ar tiem ir parādījušies tikai pēdējās desmitgadēs, kas ļauj padarīt nesēju vienpakāpes un turklāt atkārtoti lietojamu. Šādas "zinātnes ietilpīgas" raķetes izmaksas būs augstākas nekā tradicionālās konstrukcijas, taču tā tiks "izkliedēta" uz daudziem palaišanas gadījumiem, tā ka palaišanas cena būs ievērojami zemāka par ierasto līmeni.

Tieši mediju atkārtota izmantošana mūsdienās ir galvenais izstrādātāju mērķis. Space Shuttle un Energia-Buran sistēmas bija daļēji atkārtoti lietojamas. Pirmā posma atkārtota izmantošana tiek pārbaudīta raķetēm SpaceX Falcon 9. SpaceX jau ir veikusi vairākas veiksmīgas nosēšanās, un marta beigās atkal mēģinās palaist kādu no kosmosā lidojošajiem posmiem. "Mūsuprāt, šī pieeja var tikai diskreditēt ideju izveidot reālu atkārtoti lietojamu datu nesēju," atzīmē Makeev Design Bureau. "Jums joprojām ir jāsakārto šāda raķete pēc katra lidojuma, jāuzstāda savienojumi un jaunas vienreizējās lietošanas sastāvdaļas… un mēs esam atpakaļ tur, kur sākām."

Pilnībā atkārtoti lietojami datu nesēji joprojām ir tikai projektu veidā - izņemot amerikāņu uzņēmuma Blue Origin New Shepard. Pagaidām raķete ar pilotējamu kapsulu paredzēta tikai kosmosa tūristu suborbitālajiem lidojumiem, taču lielāko daļu šajā gadījumā atrasto risinājumu var viegli mērogot uz nopietnāku orbitālo nesēju. Uzņēmuma pārstāvji neslēpj savus plānus izveidot šādu iespēju, kurai jau tiek izstrādāti jaudīgi dzinēji BE-3 un BE-4. "Ar katru suborbitālo lidojumu mēs tuvojamies orbītai," apliecināja Blue Origin. Taču to daudzsološais nesējs New Glenn arī nebūs pilnībā atkārtoti lietojams: atkārtoti jāizmanto tikai pirmais bloks, kas izveidots, pamatojoties uz jau pārbaudīto New Shepard dizainu.

Materiāla izturība

CFRP materiāli, kas nepieciešami pilnībā atkārtoti lietojamām un vienpakāpes raķetēm, ir izmantoti kosmosa tehnoloģijā kopš 90. gadiem. Tajos pašos gados McDonnell Douglas inženieri ātri sāka īstenot Delta Clipper (DC-X) projektu un šodien varēja lepoties ar gatavu un lidojošu oglekļa šķiedras nesēju. Diemžēl pēc Lockheed Martin spiediena darbs pie DC-X tika pārtraukts, tehnoloģijas tika nodotas NASA, kur tās mēģināja izmantot neveiksmīgajam VentureStar projektam, pēc kura daudzi šajā tēmā iesaistītie inženieri devās strādāt uz Blue Origin. un pašu uzņēmumu pārņēma Boeing.

Tajos pašos 90. gados par šo uzdevumu ieinteresējās Krievijas SRC Makejevs. Kopš tā laika projekts KORONA ("Kosmosa raķete, vienpakāpes nesējs [of kosmosa transportlīdzekļi") ir piedzīvojis ievērojamu attīstību, un starpposma versijas parāda, kā dizains un izkārtojums kļuva arvien vienkāršāks un perfektāks. Pamazām izstrādātāji atteicās no sarežģītiem elementiem - piemēram, spārniem vai ārējām degvielas tvertnēm - un nonāca pie izpratnes, ka galvenajam korpusa materiālam jābūt oglekļa šķiedrai. Kopā ar izskatu mainījās gan svars, gan nestspēja. "Izmantojot pat labākos mūsdienu materiālus, nav iespējams uzbūvēt vienpakāpes raķeti, kas sver mazāk par 60-70 tonnām, savukārt tās kravnesība būs ļoti maza," saka viens no izstrādātājiem. - Bet, pieaugot sākuma masai, struktūra (līdz noteiktai robežai) aizņem arvien mazāku daļu, un to izmantot kļūst arvien izdevīgāk. Orbitālajai raķetei šis optimālais ir aptuveni 160-170 tonnas, sākot no šāda mēroga tās izmantošanu jau var attaisnot.

Jaunākajā KORONA projekta versijā palaišanas masa ir vēl lielāka un tuvojas 300 tonnām. Tik lielai vienpakāpes raķetei nepieciešams izmantot ļoti efektīvu šķidrās degvielas reaktīvo dzinēju, kas darbojas ar ūdeņradi un skābekli. Atšķirībā no dzinējiem uz atsevišķām pakāpēm, šādam šķidrās degvielas raķešu dzinējam "jāspēj" darboties ļoti dažādos apstākļos un dažādos augstumos, ieskaitot pacelšanos un lidojumu ārpus atmosfēras. "Parastais šķidrās degvielas dzinējs ar Laval sprauslām ir efektīvs tikai noteiktos augstuma diapazonos," skaidro Makejevkas dizaineri, "tāpēc mēs nonācām pie nepieciešamības izmantot ķīļveida gaisa raķešu dzinēju." Gāzes strūkla šādos dzinējos automātiski pielāgojas spiedienam “aiz borta”, un tie saglabā savu efektivitāti gan uz virsmas, gan augstu stratosfērā.

Kravas konteiners

Pagaidām pasaulē nav neviena strādājoša šāda tipa dzinēja, lai gan ar tiem tikuši un tiek nodarboties gan pie mums, gan ASV. Sešdesmitajos gados Rocketdyne inženieri testēja šādus dzinējus uz statīva, taču tie netika uzstādīti uz raķetēm. CROWN jāaprīko ar modulāro versiju, kurā ķīļveida gaisa uzgalis ir vienīgais elements, kuram vēl nav prototipa un kas nav pārbaudīts. Krievijā ir arī visas kompozītmateriālu ražošanas tehnoloģijas - tās ir izstrādātas un veiksmīgi tiek izmantotas, piemēram, Viskrievijas Aviācijas materiālu institūtā (VIAM) un a/s Kompozit.

Vertikāli piemērots

Lidojot atmosfērā, KORONA oglekļa šķiedras nesošā konstrukcija tiks pārklāta ar VIAM izstrādātām siltumizolējošām flīzēm Burāniem un kopš tā laika ir manāmi uzlabotas."Galvenā mūsu raķetes siltuma slodze ir koncentrēta uz tās" degunu ", kur tiek izmantoti augstas temperatūras termiskās aizsardzības elementi," skaidro dizaineri. - Šajā gadījumā raķetes izplešanās malām ir lielāks diametrs un tās atrodas akūtā leņķī pret gaisa plūsmu. Termiskā slodze uz tiem ir mazāka, kas ļauj izmantot vieglākus materiālus. Rezultātā esam ietaupījuši vairāk kā 1,5 tonnas. Augstas temperatūras daļas masa nepārsniedz 6% no kopējās termoaizsardzības masas. Salīdzinājumam, Shuttles tas veido vairāk nekā 20%.

Multivides gludais konusveida dizains ir neskaitāmu izmēģinājumu un kļūdu rezultāts. Pēc izstrādātāju domām, ja ņemat tikai iespējamā atkārtoti lietojamā vienpakāpes nesēja galvenās īpašības, jums būs jāapsver aptuveni 16 000 to kombināciju. Simtiem no tiem dizaineri novērtēja, strādājot pie projekta. "Mēs nolēmām atteikties no spārniem, piemēram, Buran vai Space Shuttle," viņi saka. - Kopumā atmosfēras augšējos slāņos tie tikai traucē kosmosa kuģiem. Šādi kuģi iekļūst atmosfērā ar hiperskaņas ātrumu, kas nav labāks par "dzelzi", un tikai virsskaņas ātrumā tie pāriet uz horizontālu lidojumu un var pareizi paļauties uz spārnu aerodinamiku.

Asimetriskā konusa forma ļauj ne tikai vieglāk nodrošināt termisko aizsardzību, bet arī tai ir laba aerodinamika, braucot ar ļoti lielu ātrumu. Jau atmosfēras augšējos slāņos raķete saņem pacēlumu, kas tai ļauj šeit ne tikai bremzēt, bet arī manevrēt. Tas, savukārt, ļauj veikt nepieciešamos manevrus lielā augstumā, virzoties uz nosēšanās vietu, un turpmākajā lidojumā būs nepieciešams tikai pabeigt bremzēšanu, koriģēt kursu un nogriezties pakaļgalā, izmantojot vāju manevru. dzinēji.

Atgādiniet gan Falcon 9, gan New Shepard: mūsdienās vertikālajā nosēšanās nav nekā neiespējama vai pat neparasta. Tajā pašā laikā tas ļauj iztikt ar ievērojami mazākiem spēkiem skrejceļa būvniecības un ekspluatācijas laikā - skrejceļam, uz kura nolaidās tie paši Shuttles un Buran, bija jābūt vairāku kilometru garumā, lai transportlīdzekli nobremzētu plkst. ar ātrumu simtiem kilometru stundā. "CROWN principā var pacelties pat no ārzonas platformas un nolaisties uz tās," piebilst viens no projekta autoriem, "galīgā nosēšanās precizitāte būs aptuveni 10 m, raķete tiek nolaista uz izvelkamiem pneimatiskajiem amortizatoriem. Atliek tikai veikt diagnostiku, uzpildīt degvielu, ievietot jaunu kravnesību - un jūs varat atkal lidot.

KORONA joprojām tiek īstenota finansējuma trūkuma dēļ, tāpēc Makejeva dizaina biroja izstrādātājiem izdevās nokļūt tikai līdz projekta projekta pēdējam posmam. “Šo posmu esam izturējuši gandrīz pilnībā un pilnīgi neatkarīgi, bez ārēja atbalsta. Mēs jau esam izdarījuši visu, ko varēja izdarīt, – stāsta dizaineri. – Zinām, kas, kur un kad jāražo. Tagad mums ir jāpāriet uz galveno vienību praktisko dizainu, ražošanu un izstrādi, un tas prasa naudu, tāpēc tagad viss ir atkarīgs no viņiem.

Aizkavēts starts

CFRP raķete sagaida tikai liela mēroga palaišanu, pēc nepieciešamā atbalsta saņemšanas dizaineri ir gatavi pēc sešiem gadiem sākt lidojumu izmēģinājumus, bet pēc septiņiem līdz astoņiem gadiem - sākt pirmo raķešu eksperimentālo darbību. Viņi lēš, ka tas prasa mazāk nekā 2 miljardus ASV dolāru, kas pēc raķešu zinātnes standartiem nav daudz. Tajā pašā laikā investīciju atdeve sagaidāma pēc septiņiem raķetes izmantošanas gadiem, ja komerciālo palaišanas reižu skaits saglabāsies esošajā līmenī, vai pat pēc 1,5 gada – ja tas pieaugs prognozētajos tempos.

Turklāt manevrēšanas dzinēju, satikšanās un dokstacijas ierīču klātbūtne uz raķetes ļauj paļauties uz sarežģītām vairāku palaišanas shēmām. Tērējot degvielu nevis piezemēšanās, bet lietderīgās kravas pievienošanai, jūs varat to nogādāt līdz vairāk nekā 11 tonnām. Pēc tam CROWN piestās pie otrā, "tankuģa", kas piepildīs savas tvertnes ar papildu degvielu, kas nepieciešama atgriešanai. Bet tomēr daudz svarīgāka ir atkārtota izmantošana, kas pirmo reizi atbrīvos mūs no nepieciešamības savākt datu nesējus pirms katras palaišanas un pazaudēt tos pēc katras palaišanas. Tikai šāda pieeja var nodrošināt stabilas divvirzienu satiksmes plūsmas izveidi starp Zemi un orbītu un vienlaikus reālas, aktīvas, liela mēroga Zemei tuvās telpas ekspluatācijas sākumu.

Tikmēr CROWN joprojām ir neskaidrs, darbs pie New Shepard turpinās. Attīstās arī līdzīgs Japānas projekts RVT. Krievijas izstrādātājiem var vienkārši nepietikt atbalsta izrāvienam. Ja jums ir pāris miljardu rezerves, tas ir daudz labāks ieguldījums nekā pat lielākā un greznākā jahta pasaulē.