Manoma, kad technologijos visada vystosi palaipsniui, nuo paprasto iki sudėtingo, nuo akmeninio peilio iki plieno - ir tik tada iki programuojamos frezavimo staklės. Tačiau kosminės raketos likimas pasirodė ne toks paprastas. Paprastų, patikimų vieno etapo raketų kūrimas ilgą laiką liko neprieinamas dizaineriams. Reikalingi sprendimai, kurių negalėjo pasiūlyti nei medžiagų mokslininkai, nei variklių inžinieriai. Iki šiol raketos išlieka daugiapakopės ir vienkartinės: keletą minučių naudojama neįtikėtinai sudėtinga ir brangi sistema, po kurios ji išmetama
„Įsivaizduokite, kad prieš kiekvieną skrydį surinktumėte naują lėktuvą: prijungtumėte kėbulą prie sparnų, nutiestumėte elektros kabelius, sumontuotumėte variklius, o nusileidę nusiųstumėte į sąvartyną … Toli neskrisite kaip tai “, - sakė mums Valstybinio raketų centro kūrėjai. Makeeva. „Bet būtent tai mes darome kiekvieną kartą, kai siunčiame krovinius į orbitą. Žinoma, idealiu atveju visi norėtų turėti patikimą vieno etapo „mašiną“, kuri nereikalauja surinkimo, bet atvyksta į kosmodromą, papildoma degalų ir paleidžiama. Ir tada jis grįžta ir vėl prasideda - ir vėl “…
Pusiaukelėje
Apskritai, raketos bandė įveikti vieną etapą iš ankstyviausių projektų. Pirmuosiuose Ciolkovskio eskizuose tokios struktūros atsiranda. Šios idėjos jis atsisakė tik vėliau, suprasdamas, kad XX amžiaus pradžios technologijos neleido realizuoti šio paprasto ir elegantiško sprendimo. Septintajame dešimtmetyje susidomėjimas vienos pakopos vežėjais vėl kilo, tokie projektai buvo rengiami abiejose vandenyno pusėse. Aštuntajame dešimtmetyje Jungtinės Valstijos kūrė vieno etapo raketas SASSTO, Phoenix ir keletą sprendimų, pagrįstų S-IVB-trečiuoju raketos Saturnas V etapu, kuris astronautus pristatė į Mėnulį.
„Toks variantas nesiskiria nuo keliamosios galios, varikliai tam nebuvo pakankamai geri, tačiau vis tiek tai būtų vienas etapas, galintis skristi į orbitą“, - tęsia inžinieriai. - Žinoma, ekonomiškai tai būtų visiškai nepagrįsta. Kompozitai ir technologijos darbui su jais pasirodė tik pastaraisiais dešimtmečiais, o tai leidžia nešiklį padaryti vienpakopį ir, be to, daugkartinio naudojimo. Tokios „daug mokslo reikalaujančios“raketos kaina bus didesnė nei tradicinio dizaino, tačiau ji bus „paskirstyta“daugeliui paleidimų, todėl paleidimo kaina bus daug mažesnė nei įprasta.
Būtent žiniasklaidos pakartotinis naudojimas yra pagrindinis kūrėjų tikslas šiandien. „Space Shuttle“ir „Energia-Buran“sistemos buvo iš dalies pakartotinai naudojamos. Pakartotinis pirmojo etapo naudojimas bandomas su „SpaceX Falcon 9.“raketomis. „SpaceX“jau kelis kartus sėkmingai nusileido, o kovo pabaigoje jie vėl bandys paleisti vieną iš kosmoso skridusių etapų. „Mūsų nuomone, toks požiūris gali tik diskredituoti idėją sukurti tikrą daugkartinio naudojimo laikmeną“, - pažymi „Makeev Design Bureau“. „Po kiekvieno skrydžio dar reikia sutvarkyti tokią raketą, įdiegti jungtis ir naujus vienkartinius komponentus … ir mes grįžtame ten, kur pradėjome“.
Visiškai daugkartinio naudojimo žiniasklaida vis dar yra tik projektų forma - išskyrus Amerikos kompanijos „Blue Origin“„New Shepard“. Kol kas raketa su pilotuojama kapsule skirta tik kosminių turistų suborbitaliniams skrydžiams, tačiau dauguma šiuo atveju rastų sprendimų gali būti lengvai pritaikyti rimtesniam orbitos nešėjui. Bendrovės atstovai neslepia savo planų sukurti tokią galimybę, kuriai jau kuriami galingi varikliai BE-3 ir BE-4. „Su kiekvienu suborbitaliniu skrydžiu artėjame prie orbitos“, - patikino „Blue Origin“. Tačiau perspektyvus jų vežėjas „New Glenn“taip pat nebus visiškai pakartotinai naudojamas: tik pirmasis blokas, sukurtas remiantis jau išbandytu „New Shepard“dizainu, turėtų būti pakartotinai naudojamas.
Medžiagos atsparumas
CFRP medžiagos, reikalingos visiškai pakartotinai naudoti ir vieno etapo raketoms, buvo naudojamos kosminėje erdvėje nuo 1990 m. Tais pačiais metais „McDonnell Douglas“inžinieriai greitai pradėjo įgyvendinti „Delta Clipper“(DC-X) projektą, ir šiandien jie galėjo pasigirti jau paruoštu ir skraidančiu anglies pluošto laikikliu. Deja, spaudžiant „Lockheed Martin“, darbas su „DC-X“buvo nutrauktas, technologijos buvo perduotos NASA, kur jos bandė jas panaudoti nesėkmingam „VentureStar“projektui, po kurio daugelis inžinierių, susijusių su šia tema, išvyko dirbti į „Blue Origin“, o pačią įmonę perėmė „Boeing“.
Tais pačiais dešimtajame dešimtmetyje šia užduotimi susidomėjo Rusijos SRC Makejevas. Nuo to laiko KORONA projektas („Kosminė raketa, vienpakopis [kosminių] transporto priemonių vežėjas“) pastebimai evoliucionavo, o tarpinės versijos rodo, kaip dizainas ir išdėstymas tapo vis paprastesni ir tobulesni. Palaipsniui kūrėjai atsisakė sudėtingų elementų, tokių kaip sparnai ar išoriniai kuro bakai, ir suprato, kad pagrindinė korpuso medžiaga turėtų būti anglies pluoštas. Kartu su išvaizda pasikeitė ir svoris, ir keliamoji galia. „Naudojant net geriausias šiuolaikines medžiagas, neįmanoma sukurti vieno etapo raketos, sveriančios mažiau nei 60–70 tonų, o jos naudingoji apkrova bus labai maža“,-sako vienas iš kūrėjų. - Tačiau didėjant pradinei masei, struktūra (iki tam tikros ribos) užima vis mažesnę dalį ir ją naudoti tampa vis pelningiau. Orbitinei raketai šis optimalus yra apie 160–170 tonų, pradedant nuo šios skalės, jos naudojimas jau gali būti pateisinamas “.
Naujausioje projekto „KORONA“versijoje paleidimo masė yra dar didesnė ir artėja prie 300 tonų. Tokiai didelei vienpakopei raketei reikia naudoti labai efektyvų skystuoju kuru varomą reaktyvinį variklį, veikiantį vandeniliu ir deguonimi. Skirtingai nuo atskirų etapų variklių, toks skystą raketinį raketą turintis variklis turi veikti labai skirtingomis sąlygomis ir skirtingais aukščiais, įskaitant pakilimą ir skrydį už atmosferos ribų. „Įprastas skysto kuro variklis su„ Laval “purkštukais yra efektyvus tik tam tikruose aukščių diapazonuose“,-aiškina „Makeevka“dizaineriai, „todėl mes nusprendėme naudoti pleišto oro raketinį variklį“. Tokių variklių dujų srovė prisitaiko prie slėgio „už borto“, ir jie išlaiko efektyvumą tiek paviršiuje, tiek aukštai stratosferoje.
Kol kas pasaulyje nėra tokio tipo veikiančio variklio, nors su jais buvo ir yra susidorota tiek mūsų šalyje, tiek JAV. Praėjusio amžiaus septintajame dešimtmetyje „Rocketdyne“inžinieriai tokius variklius išbandė ant stovo, tačiau jie nesiruošė montuoti raketose. „CROWN“turėtų būti įrengta modulinė versija, kurioje pleištinis oro antgalis yra vienintelis elementas, kuris dar neturi prototipo ir nėra 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, anglies pluoštu sustiprinta plastikinė „CORONA“konstrukcija bus padengta šilumą apsaugančiomis plytelėmis, sukurtomis „VIAM“„Burans“ir nuo to laiko buvo pastebimai patobulinta.„Pagrindinė mūsų raketos šilumos apkrova yra sutelkta į jos„ nosį “, kur naudojami aukštos temperatūros šiluminės apsaugos elementai“, - aiškina dizaineriai. - Šiuo atveju besiplečiančios raketos pusės yra didesnio skersmens ir yra aštriu kampu oro srautui. Šiluminė apkrova jiems yra mažesnė, o tai leidžia naudoti lengvesnes medžiagas. Dėl to sutaupėme daugiau nei 1,5 tonos. Aukštos temperatūros dalies masė neviršija 6% visos šiluminės apsaugos masės. Palyginimui, tai sudaro daugiau nei 20% autobusų.
Aptakus siaurėjantis žiniasklaidos dizainas yra daugybės bandymų ir klaidų rezultatas. Pasak kūrėjų, jei paimsite tik pagrindines galimo daugkartinio naudojimo vieno etapo nešiklio charakteristikas, turėsite apsvarstyti apie 16 000 jų derinių. Dirbdami prie projekto, dizaineriai įvertino šimtus jų. „Mes nusprendėme atsisakyti sparnų, pavyzdžiui,„ Buran “ar„ Space Shuttle “, - sako jie. - Apskritai, viršutinėje atmosferos dalyje jie trukdo tik erdvėlaiviams. Tokie laivai į atmosferą patenka hipergarsiniu greičiu ne geriau nei „geležis“, ir tik viršgarsiniu greičiu jie persijungia į horizontalųjį skrydį ir gali tinkamai pasikliauti sparnų aerodinamika “.
Ašies simetrinė kūgio forma ne tik palengvina šiluminę apsaugą, bet ir turi gerą aerodinamiką važiuojant labai dideliu greičiu. Jau viršutiniuose atmosferos sluoksniuose raketa gauna pakėlimą, kuris leidžia čia ne tik stabdyti, bet ir manevruoti. Tai, savo ruožtu, leidžia atlikti reikiamus manevrus dideliame aukštyje, nukreipiant į nusileidimo vietą, o būsimame skrydyje belieka tik užbaigti stabdymą, pakoreguoti kursą ir pasukti atgal, naudojant silpnus manevrinius variklius.
Prisiminkite ir „Falcon 9“, ir „New Shepard“: šiandien nėra nieko neįmanomo ar net neįprasto vertikaliame tūpime. Kartu tai leidžia išsiversti gerokai mažesnėmis jėgomis statant ir eksploatuojant kilimo ir tūpimo taką - kilimo ir tūpimo takas, kuriuo nusileido tie patys maršrutiniai autobusai ir Buranas, turėjo būti kelių kilometrų ilgio, kad būtų galima stabdyti transporto priemonę. šimtų kilometrų per valandą greičiu. „CROWN iš esmės gali pakilti net nuo pakrantės platformos ir nusileisti ant jos, - priduria vienas iš projekto autorių, - galutinis nusileidimo tikslumas bus apie 10 m, raketa nuleista ant ištraukiamų pneumatinių amortizatorių.. “Belieka atlikti diagnostiką, papildyti degalus, sudėti naują naudingą krovinį - ir vėl galite skristi.
KORONA vis dar įgyvendinama nesant finansavimo, todėl „Makeev“dizaino biuro kūrėjams pavyko patekti tik į galutinį projekto projekto etapą. „Šį etapą praėjome beveik visiškai ir visiškai nepriklausomai, be išorinės paramos. Mes jau padarėme viską, ką buvo galima padaryti, - sako dizaineriai. - Mes žinome, kas, kur ir kada turėtų būti gaminama. Dabar turime pereiti prie praktinio pagrindinių įrenginių projektavimo, gamybos ir tobulinimo, o tam reikia pinigų, todėl dabar viskas priklauso nuo jų “.
Pavėluotas startas
CFRP raketa tikisi tik didelio masto paleidimo; gavę reikiamą paramą, dizaineriai yra pasirengę pradėti skrydžio bandymus po šešerių metų, o po septynerių - aštuonerių metų - pradėti eksperimentinį pirmųjų raketų veikimą. Jie apskaičiavo, kad tam reikia mažiau nei 2 milijardų dolerių - tai nėra daug pagal raketų standartus. Tuo pačiu metu galima tikėtis investicijų grąžos praėjus septyneriems raketos naudojimo metams, jei komercinių paleidimų skaičius išliks dabartinis, arba net per 1,5 metų - jei jis augs numatytais tempais.
Be to, raketoje esantys manevriniai varikliai, susitikimų ir prijungimo įrenginiai taip pat leidžia tikėtis sudėtingų kelių paleidimo schemų. Panaudojus kurą ne nusileidimui, o naudingos apkrovos užbaigimui, jį galima išgauti iki daugiau nei 11 tonų. Tada CROWN prisišvartuos su antruoju „tanklaiviu“, kuris pripildys savo bakus papildomu degalais, būtinais grįžimui. Tačiau vis dėlto daug svarbiau yra pakartotinis naudojimas, kuris pirmą kartą atleis mus nuo poreikio rinkti žiniasklaidą prieš kiekvieną paleidimą ir prarasti ją po kiekvieno paleidimo. Tik toks požiūris gali užtikrinti stabilaus dvipusio eismo srauto tarp Žemės ir orbitos sukūrimą ir tuo pačiu tikro, aktyvaus, didelio masto Žemės erdvės eksploatavimo pradžią.
Kol kas CROWN lieka nežinioje, darbas su „New Shepard“tęsiamas. Taip pat kuriamas panašus japonų projektas RVT. Rusijos kūrėjams gali tiesiog nepakakti palaikymo proveržiui. Jei turite porą milijardų, tai yra kur kas geresnė investicija nei net didžiausia ir prabangiausia jachta pasaulyje.
