Ryska rymden

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Man tror att teknologier alltid utvecklas gradvis, från enkel till komplex, från stenkniv till stål - och först då till en programmerad fräsmaskin. Rymdraketernas öde visade sig dock inte vara så enkelt. Skapandet av enkla, pålitliga enstegsmissiler förblev under lång tid otillgängliga för designers.

Det krävdes lösningar som varken materialvetare eller motoringenjörer kunde erbjuda. Fram till nu är bärraketer flerstegs och engångsbilar: ett otroligt komplext och dyrt system används i några minuter och slängs sedan.

”Föreställ dig att du innan varje flygning skulle montera ett nytt plan: du skulle koppla ihop flygkroppen till vingarna, lägga elkablar, installera motorerna och efter landning skulle du skicka det till en skrot… Du kan inte flyga så långt”, sa utvecklarna av State Missile Center till oss. Makeeva. "Men det är precis vad vi gör varje gång vi skickar last i omloppsbana. Naturligtvis skulle helst alla vilja ha en pålitlig enstegs "maskin" som inte kräver montering, utan anländer till kosmodromen, tankad och sjösatt. Och så kommer det tillbaka och börjar igen - och igen "…

På halvvägs

I stort sett försökte rocketry klara sig med ett steg från de tidigaste projekten. I de första skisserna av Tsiolkovsky förekommer just sådana strukturer. Han övergav denna idé först senare och insåg att teknikerna från det tidiga nittonhundratalet inte tillät att förverkliga denna enkla och eleganta lösning. Intresset för enstegsbärare uppstod igen på 1960-talet och sådana projekt hölls på att utarbetas på båda sidor om havet. På 1970-talet arbetade USA med enstegsraketer SASSTO, Phoenix och flera lösningar baserade på S-IVB, det tredje steget av Saturn V-raketen, som levererade astronauter till månen.

CORONA måste bli robotisk och få intelligent mjukvara för styrsystemet. Programvaran kommer att kunna uppdateras direkt under flygning och i en nödsituation kommer den automatiskt att "rulla tillbaka" till den stabila backupversionen.

"Ett sådant alternativ skulle inte skilja sig i bärförmåga, motorerna var inte tillräckligt bra för detta, men det skulle fortfarande vara ett steg, ganska kapabelt att flyga i omloppsbana", fortsätter ingenjörerna. "Självklart skulle det ekonomiskt vara helt obefogat." Kompositer och tekniker för att arbeta med dem har endast dykt upp under de senaste decennierna, vilket gör det möjligt att göra bäraren i ett steg och dessutom återanvändbar. Kostnaden för en sådan "vetenskapsintensiv" raket kommer att vara högre än för en traditionell design, men den kommer att "spridas ut" över många uppskjutningar, så att uppskjutningspriset blir betydligt lägre än den vanliga nivån.

Det är mediaåteranvändbarhet som är huvudmålet för utvecklare idag. Rymdfärjan och Energia-Buran-systemen var delvis återanvändbara. Den upprepade användningen av det första steget testas för SpaceX Falcon 9-raketer. SpaceX har redan gjort flera framgångsrika landningar och i slutet av mars ska man försöka skjuta upp en av etapperna som flög ut i rymden igen. "Enligt vår åsikt kan detta tillvägagångssätt bara misskreditera idén om att skapa ett riktigt återanvändbart medium," konstaterar Makeev Design Bureau. "Du måste fortfarande sortera ut en sådan raket efter varje flygning, installera anslutningar och nya engångskomponenter … och vi är tillbaka där vi började."

Helt återanvändbara medier är fortfarande bara i form av projekt - med undantag för New Shepard av det amerikanska företaget Blue Origin. Hittills är raketen med en bemannad kapsel endast utformad för suborbitala flygningar av rymdturister, men de flesta av lösningarna som finns i det här fallet kan lätt skalas för en mer seriös orbitalbärare. Representanter för företaget döljer inte sina planer på att skapa ett sådant alternativ, för vilka kraftfulla motorer BE-3 och BE-4 redan utvecklas. "Med varje suborbital flygning närmar vi oss omloppsbana," försäkrade Blue Origin. Men deras lovande bärare, New Glenn, kommer inte heller att vara helt återanvändbar: bara det första blocket, skapat på basis av den redan testade New Shepard-designen, ska återanvändas.

Materialbeständighet

De CFRP-material som krävs för helt återanvändbara raketer och enstegsraketer har använts inom flygteknik sedan 1990-talet. Under samma år började ingenjörer på McDonnell Douglas snabbt implementera Delta Clipper (DC-X)-projektet och kunde idag mycket väl skryta med en färdig och flygande kolfiberbärare. Tyvärr, under påtryckningar från Lockheed Martin, avbröts arbetet med DC-X, teknikerna överfördes till NASA, där de försökte använda dem för det misslyckade VentureStar-projektet, varefter många ingenjörer involverade i detta ämne gick till jobbet på Blue Origin, och själva företaget togs över av Boeing.

Under samma 1990-tal blev den ryska SRC Makeev intresserad av denna uppgift. Under åren sedan dess har KORONA-projektet ("Rymdraket, enstegsbärare [av rymd] fordon") genomgått en märkbar utveckling, och mellanversioner visar hur designen och layouten blev mer och mer enklare och perfekt. Gradvis övergav utvecklarna komplexa element - som vingar eller externa bränsletankar - och kom till insikten att huvudkroppens material borde vara kolfiber. Tillsammans med utseendet förändrades både vikten och bärförmågan. "Med även de bästa moderna materialen är det omöjligt att bygga en enstegsraket som väger mindre än 60-70 ton, medan dess nyttolast kommer att vara mycket liten", säger en av utvecklarna. – Men i takt med att startmassan växer står strukturen (upp till en viss gräns) för en allt mindre andel, och det blir mer och mer lönsamt att använda den. För en orbital raket är detta optimum cirka 160-170 ton, från denna skala kan dess användning redan motiveras."

I den senaste versionen av KORONA-projektet är uppskjutningsmassan ännu högre och närmar sig 300 ton. En så stor enstegsraket kräver användning av en högeffektiv jetmotor för flytande drivmedel som drivs med väte och syre. Till skillnad från motorer på separata etapper måste en sådan raketmotor med flytande drivmedel "kunna" fungera under mycket olika förhållanden och på olika höjder, inklusive start och flygning utanför atmosfären. "En konventionell motor för flytande drivmedel med Laval-munstycken är endast effektiv vid vissa höjdområden," förklarar Makeyevka-designerna, "därför kom vi fram till behovet av att använda en killuftraketmotor." Gasstrålen i sådana motorer anpassar sig automatiskt till trycket "överbord", och de förblir effektiva både vid ytan och högt uppe i stratosfären.

Lastbehållare

Än så länge finns det ingen fungerande motor av denna typ i världen, även om de har varit och håller på att hanteras både i vårt land och i USA. På 1960-talet testade Rocketdynes ingenjörer sådana motorer på ett stativ, men de kom inte till installation på missiler. CROWN bör utrustas med en modulär version, där killuftmunstycket är det enda elementet som ännu inte har en prototyp och inte har testats. Det finns också all teknik för tillverkning av kompositdelar i Ryssland - de har utvecklats och används framgångsrikt, till exempel vid All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) och vid JSC Kompozit.

Vertikal passform

När man flyger i atmosfären kommer KORONA kolfiberbärande struktur att täckas med värmeskyddande plattor som utvecklats av VIAM för Burans och sedan dess har förbättrats märkbart."Den huvudsakliga värmebelastningen på vår raket är koncentrerad på dess" nos ", där termiska skyddselement för hög temperatur används, - förklarar formgivarna. – I det här fallet har raketens expanderande sidor en större diameter och är i spetsig vinkel mot luftflödet. Den termiska belastningen på dem är mindre, vilket tillåter användning av lättare material. Som ett resultat har vi sparat mer än 1,5 ton. Massan av högtemperaturdelen överstiger inte 6% av den totala massan av det termiska skyddet. Som jämförelse, i Shuttles står det för mer än 20 %."

Den slanka avsmalnande designen av media är resultatet av otaliga försök och misstag. Enligt utvecklarna, om du bara tar de viktigaste egenskaperna hos en möjlig återanvändbar enstegsbärare, måste du överväga cirka 16 000 kombinationer av dem. Hundratals av dem uppskattades av formgivarna när de arbetade med projektet. "Vi bestämde oss för att överge vingarna, som på Buran eller rymdfärjan", säger de. – I det stora hela, i den övre atmosfären, stör de bara rymdfarkoster. Sådana fartyg kommer in i atmosfären med hypersonisk hastighet, inte bättre än ett "järn", och endast med överljudshastighet växlar de till horisontell flygning och kan riktigt lita på vingarnas aerodynamik.

Den axisymmetriska konformen möjliggör inte bara enklare termiskt skydd, utan har även bra aerodynamik vid körning i mycket höga hastigheter. Redan i de övre lagren av atmosfären får raketen ett lyft, vilket gör att den inte bara kan bromsa här utan också manövrera. Detta i sin tur gör det möjligt att göra nödvändiga manövrar på hög höjd, på väg mot landningsplatsen, och i den framtida flygningen kommer det bara att vara nödvändigt att slutföra inbromsningen, korrigera kursen och svänga akterut nedåt, med hjälp av svag växling motorer.

Kom ihåg både Falcon 9 och New Shepard: det finns inget omöjligt eller ens ovanligt vid vertikal landning idag. Det gör det samtidigt möjligt att klara sig med betydligt mindre krafter under anläggningen och driften av banan – banan som samma Shuttles och Buran landade på fick ha en längd på flera kilometer för att kunna bromsa fordonet kl. en hastighet på hundratals kilometer i timmen. "CROWN kan i princip till och med lyfta från en offshoreplattform och landa på den", tillägger en av författarna till projektet, "den slutliga landningsnoggrannheten kommer att vara cirka 10 m, raketen sänks ner på infällbara pneumatiska stötdämpare. Allt som återstår är att utföra diagnostik, tanka, lägga en ny nyttolast – så kan du flyga igen.

KORONA implementeras fortfarande i avsaknad av finansiering, så utvecklarna av Makeev Design Bureau lyckades bara komma till slutskedet av utkastet till design.”Vi har klarat det här stadiet nästan helt och helt oberoende, utan externt stöd. Vi har redan gjort allt som kunde ha gjorts, - säger formgivarna. – Vi vet vad, var och när som ska produceras. Nu måste vi gå vidare till den praktiska designen, produktionen och utvecklingen av nyckelenheter, och detta kräver pengar, så nu beror allt på dem."

Försenad start

CFRP-raketen förväntar sig endast en storskalig uppskjutning; vid mottagandet av det nödvändiga stödet är designerna redo att påbörja flygtester om sex år och om sju till åtta år - för att påbörja experimentell drift av de första missilerna. De uppskattar att detta kräver mindre än 2 miljarder dollar - inte mycket med raketvetenskapliga standarder. Samtidigt kan en avkastning på investeringen förväntas efter sju års användning av raketen, om antalet kommersiella uppskjutningar förblir på nuvarande nivå, eller till och med om 1,5 år - om det växer i de beräknade takterna.

Dessutom gör närvaron av manövermotorer, mötesplatser och dockningsanordningar på raketen det möjligt att räkna med komplexa uppskjutningsscheman för flera lanseringar. Genom att spendera bränsle inte på landning, utan på att lägga till nyttolasten, kan du få den till en massa på mer än 11 ton. Sedan kommer CROWN att docka med den andra, "tanker", som kommer att fylla sina tankar med ytterligare bränsle som behövs för returen. Men ändå, mycket viktigare är återanvändbarheten, som för första gången kommer att befria oss från behovet av att samla in media före varje lansering – och förlora det efter varje lansering. Endast ett sådant tillvägagångssätt kan säkerställa skapandet av ett stabilt tvåvägstrafikflöde mellan jorden och omloppsbanan, och samtidigt början på en verklig, aktiv, storskalig exploatering av rymden nära jorden.

Under tiden förblir CROWN i limbo, arbetet med New Shepard fortsätter. Ett liknande japanskt projekt RVT håller också på att utvecklas. Ryska utvecklare kanske helt enkelt inte har tillräckligt med stöd för genombrottet. Om du har ett par miljarder över är detta en mycket bättre investering än till och med den största och lyxigaste yachten i världen.