Det antas at teknologier alltid utvikler seg gradvis, fra enkle til komplekse, fra steinkniv til stål - og først da til en programmert fresemaskin. Imidlertid viste skjebnen til romrakett å være mindre grei. Opprettelsen av enkle, pålitelige en-trinns missiler i lang tid forble utilgjengelig for designere. Det var nødvendig med løsninger som verken materialforskere eller ingeniører kunne tilby. Frem til nå er lanseringskjøretøyer flertrinns og engangsbruk: Et utrolig komplekst og dyrt system brukes i noen minutter, hvoretter det blir kastet
«Tenk deg at før hver flyging ville du sette sammen et nytt fly: du ville koble flykroppen til vingene, legge elektriske kabler, installere motorene, og etter landing sendte du det til et deponi … Du flyr ikke langt som det,”fortalte utviklerne av State Missile Center oss. Makeeva. “Men det er akkurat det vi gjør hver gang vi sender last i bane. Selvfølgelig ville ideelt sett alle ha en pålitelig en-trinns "maskin" som ikke krever montering, men kommer til kosmodromet, fylt på drivstoff og lansert. Og så kommer det tilbake og starter igjen - og igjen "…
På halvveien
I det store og hele prøvde rakett å klare seg med en etappe fra de tidligste prosjektene. I de første skissene av Tsiolkovsky dukker det opp nettopp slike strukturer. Han forlot denne ideen først senere, og innså at teknologiene fra begynnelsen av det tjuende århundre ikke tillot å realisere denne enkle og elegante løsningen. Interessen for en-trinns transportører oppsto igjen på 1960-tallet, og slike prosjekter ble utarbeidet på begge sider av havet. På 1970-tallet jobbet USA med en-trinns raketter SASSTO, Phoenix og flere løsninger basert på S-IVB, den tredje fasen av Saturn V-oppskytningsvognen, som leverte astronauter til månen.
"Et slikt alternativ ville ikke variere i bæreevne, motorene var ikke gode nok til dette - men det ville fortsatt være et trinn, ganske i stand til å fly i bane," fortsetter ingeniørene. "Selvfølgelig ville det økonomisk være helt uberettiget økonomisk." Kompositter og teknologier for å jobbe med dem har bare dukket opp de siste tiårene, noe som gjør det mulig å gjøre transportøren ett trinn og dessuten gjenbrukbar. Kostnaden for en slik "vitenskapsintensiv" rakett vil være høyere enn en tradisjonell design, men den vil bli "spredt" over mange lanseringer, slik at lanseringsprisen blir mye lavere enn det vanlige nivået.
Det er mediegjenbruk som er utviklernes hovedmål i dag. Romfergen og Energia-Buran-systemene var delvis gjenbrukbare. Den gjentatte bruken av den første etappen testes for SpaceX Falcon 9. -raketter. SpaceX har allerede foretatt flere vellykkede landinger, og i slutten av mars vil de prøve å starte en av etappene som fløy ut i verdensrommet igjen. "Etter vår mening kan denne tilnærmingen bare diskreditere ideen om å lage et ekte gjenbrukbart medium," bemerker Makeev Design Bureau. "Du må fortsatt sortere ut en slik rakett etter hver flytur, installere tilkoblinger og nye engangskomponenter … og vi er tilbake der vi begynte."
Fullt gjenbrukbare medier er fortsatt bare i form av prosjekter - med unntak av New Shepard fra det amerikanske selskapet Blue Origin. Så langt er raketten med en bemannet kapsel kun designet for suborbitalfly av romturister, men de fleste løsningene som finnes i dette tilfellet kan lett skaleres for en mer seriøs orbitalbærer. Representanter for selskapet legger ikke skjul på planene om å lage et slikt alternativ, som kraftige motorer BE-3 og BE-4 allerede er under utvikling. "For hver suborbital flytur nærmer vi oss bane," forsikret Blue Origin. Men den lovende transportøren New Glenn vil heller ikke være fullt gjenbrukbar: Bare den første blokken, laget på grunnlag av det allerede testede New Shepard -designet, bør gjenbrukes.
Materialmotstand
CFRP-materialene som kreves for fullt gjenbrukbare og en-trinns raketter har blitt brukt i romfartsteknologi siden 1990-tallet. I de samme årene begynte ingeniører ved McDonnell Douglas raskt å implementere Delta Clipper (DC-X) -prosjektet, og i dag kunne de godt skryte av en ferdig og flygende karbonfiberbærer. Dessverre, under press fra Lockheed Martin, ble arbeidet med DC-X avbrutt, teknologiene ble overført til NASA, hvor de prøvde å bruke dem til det mislykkede VentureStar-prosjektet, hvoretter mange ingeniører involvert i dette emnet gikk på jobb hos Blue Origin, og selskapet ble selv overtatt av Boeing.
På samme 1990 -tallet ble den russiske SRC Makeev interessert i denne oppgaven. Siden den gang har KORONA-prosjektet ("Space rocket, single-stage carrier of [space] vehicles") gjennomgått en merkbar utvikling, og mellomversjoner viser hvordan design og layout ble mer og mer enkelt og perfekt. Etter hvert forlot utviklerne komplekse elementer - for eksempel vinger eller eksterne drivstofftanker - og forsto at hovedmaterialet skulle være karbonfiber. Sammen med utseendet endret både vekten og bæreevnen seg. "Ved å bruke selv de beste moderne materialene er det umulig å bygge en ett-trinns rakett som veier mindre enn 60-70 tonn, mens nyttelasten vil være veldig liten," sier en av utviklerne. - Men etter hvert som startmassen vokser, har strukturen (opp til en viss grense) en stadig mindre andel, og det blir mer og mer lønnsomt å bruke den. For en orbital rakett er dette optimalt omtrent 160-170 tonn, fra denne skalaen kan bruken allerede være begrunnet."
I den siste versjonen av KORONA-prosjektet er oppskytningsmassen enda høyere og nærmer seg 300 tonn. En så stor en-trinns rakett krever bruk av en svært effektiv væskedrivende jetmotor som opererer på hydrogen og oksygen. I motsetning til motorer i separate stadier, må en slik væskedrivende rakettmotor kunne operere under svært forskjellige forhold og i forskjellige høyder, inkludert start og fly utenfor atmosfæren. "En konvensjonell flytende drivmotor med Laval-dyser virker bare i visse høydeområder," forklarer Makeevka-designerne, "derfor kom vi til behovet for å bruke en kileluftrakettmotor." Gassstrålen i slike motorer tilpasser seg trykket "over bord", og de opprettholder effektiviteten både på overflaten og høyt i stratosfæren.
Så langt er det ingen fungerende motor av denne typen i verden, selv om de har vært og blir behandlet både i vårt land og i USA. På 1960 -tallet testet Rocketdyne -ingeniører slike motorer på stativ, men de kom ikke til installasjon på missiler. CROWN bør være utstyrt med en modulær versjon, der kileluftdysen er det eneste elementet som ennå ikke har en prototype og ikke er testet. Det finnes også all teknologi for produksjon av komposittdeler i Russland - de er utviklet og brukes med hell, for eksempel på All -Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) og ved OJSC “Kompozit”.
Vertikal passform
Når du flyr i atmosfæren, vil den karbonfiberforsterkede plaststrukturen til CORONA bli dekket med varmebeskyttende fliser utviklet av VIAM for Burans og siden blitt merkbart forbedret."Den viktigste varmelasten på raketten vår er konsentrert om" nesen ", der termiske beskyttelseselementer med høy temperatur brukes, forklarer designerne. - I dette tilfellet har rakettens ekspanderende sider en større diameter og er i en spiss vinkel mot luftstrømmen. Den termiske belastningen på dem er mindre, noe som tillater bruk av lettere materialer. Som et resultat har vi spart mer enn 1,5 tonn. Høytemperaturdelens masse overstiger ikke 6% av den totale massen av termisk beskyttelse. Til sammenligning står det for mer enn 20% av skyttelbussene."
Den slanke, koniske utformingen av media er et resultat av utallige prøving og feiling. Ifølge utviklerne, hvis du bare tar nøkkelegenskapene til en mulig gjenbrukbar ett-trinns transportør, må du vurdere om lag 16 000 kombinasjoner av dem. Hundrevis av dem ble satt pris på av designerne mens de jobbet med prosjektet. "Vi bestemte oss for å forlate vingene, som på Buran eller romfergen," sier de. - Stort sett, i den øvre atmosfæren, forstyrrer de bare romskip. Slike skip kommer inn i atmosfæren med hypersonisk hastighet ikke bedre enn et "jern", og bare med supersonisk hastighet bytter de til horisontal flyging og kan stole på vingens aerodynamikk."
Den aksymmetriske kjegleformen gir ikke bare enklere termisk beskyttelse, men har også god aerodynamikk ved kjøring i svært høye hastigheter. Allerede i de øvre lagene i atmosfæren mottar raketten et løft, som gjør at den ikke bare kan bremse her, men også å manøvrere. Dette gjør det igjen mulig å gjøre de nødvendige manøvrene i stor høyde, på vei til landingsstedet, og i den fremtidige flyturen gjenstår det bare å fullføre bremsingen, korrigere kursen og snu akterut, ved bruk av svake manøvreringsmotorer.
Husk både Falcon 9 og New Shepard: det er ingenting umulig eller til og med uvanlig i vertikal landing i dag. Samtidig gjør det det mulig å klare seg med betydelig mindre krefter under konstruksjonen og driften av rullebanen - rullebanen som de samme skyttelbussene og Buran landet på måtte ha en lengde på flere kilometer for å kunne bremse kjøretøyet kl. en hastighet på hundrevis av kilometer i timen. "KRONEN kan i prinsippet til og med ta av fra en offshore -plattform og lande på den," tilføyer en av forfatterne av prosjektet, "den endelige landingsnøyaktigheten vil være omtrent 10 m, raketten senkes ned på uttrekkbare pneumatiske støtdempere.” Det eneste som gjenstår er å utføre diagnostikk, fylle drivstoff, legge nytt nytt - og du kan fly igjen.
KORONA implementeres fortsatt i mangel av finansiering, så utviklerne av Makeev Design Bureau klarte bare å komme til de siste stadiene av designutkastet. “Vi har passert dette stadiet nesten helt og helt uavhengig, uten ekstern støtte. Vi har allerede gjort alt som kan gjøres, - sier designerne. - Vi vet hva, hvor og når som skal produseres. Nå må vi gå videre til praktisk design, produksjon og utvikling av viktige enheter, og dette krever penger, så nå er alt avhengig av dem."
Forsinket start
CFRP -raketten forventer bare en storstilt oppskytning; ved mottak av nødvendig støtte er designerne klare til å begynne flytester om seks år, og om sju til åtte år - for å starte eksperimentell drift av de første missilene. De anslår at dette krever mindre enn 2 milliarder dollar - ikke mye etter rakettstandarder. Samtidig kan det forventes avkastning på investeringen etter syv års bruk av raketten, hvis antallet kommersielle oppskytninger forblir på nåværende nivå, eller til og med om 1,5 år - hvis den vokser til forutsagte rater.
Videre gjør tilstedeværelsen av manøvreringsmotorer, rendezvous og dokkinganlegg på raketten det også mulig å regne med komplekse fleroppskytingsoppskytingsordninger. Etter å ha brukt drivstoff ikke til landing, men for å fullføre nyttelasten, er det mulig å bringe det til en masse på mer enn 11 tonn. Deretter legger KRONEN til med det andre, "tankskipet", som fyller tankene med ekstra drivstoff som er nødvendig for retur. Men fortsatt er mye viktigere gjenbruk, som for første gang vil avlaste oss fra behovet for å samle media før hver lansering - og miste den etter hver lansering. Bare en slik tilnærming kan sikre opprettelsen av en stabil toveis trafikkflyt mellom jorden og bane, og samtidig begynnelsen på en reell, aktiv, storstilt utnyttelse av rom nær jord.
I mellomtiden forblir CROWN i limbo, arbeidet med New Shepard fortsetter. Et lignende japansk prosjekt RVT er også under utvikling. Russiske utviklere kan ganske enkelt ikke ha nok støtte til et gjennombrudd. Hvis du har et par milliarder til overs, er dette en langt bedre investering enn til og med den største og mest luksuriøse yachten i verden.
