Uskotaan, että tekniikat kehittyvät aina vähitellen, yksinkertaisesta monimutkaiseen, kiviveitsestä teräkseen - ja vasta sitten ohjelmoituun jyrsinkoneeseen. Avaruusrakettien kohtalo osoittautui kuitenkin vähemmän suoraviivaiseksi. Yksinkertaisten, luotettavien yksivaiheisten ohjusten luominen oli pitkään suunnittelijoiden ulottumattomissa. Tarvittiin ratkaisuja, joita materiaalitieteilijät tai moottorin insinöörit eivät voineet tarjota. Tähän asti kantoraketit ovat monivaiheisia ja kertakäyttöisiä: uskomattoman monimutkaista ja kallista järjestelmää käytetään muutaman minuutin ajan, minkä jälkeen se heitetään pois
"Kuvitelkaa, että ennen jokaista lentoa kokoisitte uuden koneen: liitätte rungon siipiin, asennatte sähkökaapelit, asennat moottorit ja laskeutumisen jälkeen lähetät sen kaatopaikalle … Et lennä kauas kuin ", osavaltion ohjuskeskuksen kehittäjät kertoivat meille. Makeeva. - Mutta juuri niin teemme joka kerta, kun lähetämme rahtia kiertoradalle. Tietysti ihanteellisesti kaikki haluaisivat saada luotettavan yksivaiheisen "koneen", joka ei vaadi kokoonpanoa, mutta saapuu kosmodromille tankattaessa ja lanseerattuna. Ja sitten se tulee takaisin ja alkaa uudestaan - ja uudelleen "…
Puolivälissä
Yleensä rakettityö yritti selviytyä yhdellä vaiheella varhaisimmista projekteista. Tsiolkovskin alkuperäisissä luonnoksissa juuri tällaisia rakenteita esiintyy. Hän luopui tästä ajatuksesta vasta myöhemmin ymmärtäessään, että 1900 -luvun alun tekniikat eivät mahdollistaneet tämän yksinkertaisen ja tyylikkään ratkaisun toteuttamista. Kiinnostus yksivaiheisiin lentoliikenteen harjoittajiin nousi jälleen 1960-luvulla, ja tällaisia hankkeita kehitettiin meren molemmin puolin. 1970-luvulle mennessä Yhdysvallat työskenteli yksivaiheisilla raketteilla SASSTO, Phoenix ja useilla ratkaisuilla, jotka perustuivat S-IVB: een, Saturn V -kantorakettin kolmanteen vaiheeseen, joka toimitti astronautit kuuhun.
"Tällainen vaihtoehto ei eroa kantokyvystään, moottorit eivät olleet tarpeeksi hyviä tähän - mutta silti se olisi yksi vaihe, joka kykenee lentämään kiertoradalle", insinöörit jatkavat. "Taloudellisesti se olisi tietysti täysin perusteetonta." Komposiitit ja tekniikat niiden kanssa työskentelyyn ovat ilmestyneet vasta viime vuosikymmeninä, mikä mahdollistaa kuljettimen tekemisen yksivaiheiseksi ja lisäksi uudelleenkäytettäväksi. Tällaisen "tiedeintensiivisen" raketin hinta on korkeampi kuin perinteisen rakenteen, mutta se "jakautuu" useille laukaisuille, joten laukaisuhinta on paljon tavallista alhaisempi.
Median uudelleenkäytettävyys on kehittäjien päätavoite nykyään. Avaruussukkula- ja Energia-Buran-järjestelmät olivat osittain uudelleenkäytettäviä. Ensimmäisen vaiheen toistuvaa käyttöä testataan SpaceX Falcon 9. -raketteille, ja SpaceX on jo tehnyt useita onnistuneita laskeutumisia, ja maaliskuun lopussa he yrittävät käynnistää yhden avaruuteen lentäneistä vaiheista. "Mielestämme tämä lähestymistapa voi vain vähätellä ajatusta luoda todellinen uudelleenkäytettävä media", toteaa Makeev Design Bureau. "Sinun on vielä selvitettävä tällainen raketti jokaisen lennon jälkeen, asennettava yhteydet ja uudet kertakäyttökomponentit … ja olemme palanneet siihen, mistä aloitimme."
Täysin uudelleenkäytettävät tiedotusvälineet ovat edelleen vain hankkeiden muodossa - lukuun ottamatta amerikkalaisen Blue Origin -yhtiön uutta Shepardia. Toistaiseksi miehitetyllä kapselilla varustettu raketti on suunniteltu vain avaruusmatkailijoiden suborbitaalisille lennoille, mutta suurin osa tässä tapauksessa löydetyistä ratkaisuista voidaan helposti skaalata vakavammalle kiertoradalle. Yhtiön edustajat eivät peitä suunnitelmiaan luoda tällainen vaihtoehto, jota varten kehitetään jo tehokkaita moottoreita BE-3 ja BE-4. "Jokaisen suborbitaalisen lennon myötä lähestymme kiertorataa", Blue Origin vakuutti. Mutta heidän lupaava kantaja New Glenn ei myöskään ole täysin uudelleenkäytettävä: vain ensimmäinen lohko, joka on luotu jo testatun New Shepard -suunnittelun perusteella, tulisi käyttää uudelleen.
Materiaalinkestävyys
Täysin uudelleenkäytettäviä ja yksivaiheisia raketteja varten tarvittavia CFRP-materiaaleja on käytetty ilmailu- ja avaruusteknologiassa 1990-luvulta lähtien. Samoina vuosina McDonnell Douglasin insinöörit alkoivat nopeasti toteuttaa Delta Clipper (DC-X) -hanketta, ja tänään he voisivat ylpeillä valmiilla ja lentävällä hiilikuitukannattimella. Valitettavasti Lockheed Martinin painostuksesta DC-X: n työ lopetettiin, tekniikat siirrettiin NASAlle, missä he yrittivät käyttää niitä epäonnistuneessa VentureStar-projektissa, minkä jälkeen monet tähän aiheeseen liittyvät insinöörit menivät töihin Blue Originiin, ja itse yritys otettiin Boeingin haltuun.
Samana 1990 -luvulla venäläinen SRC Makeev kiinnostui tästä tehtävästä. Siitä lähtien KORONA-projekti ("Avaruusraketti, [avaruus] ajoneuvojen yksivaiheinen kantaja") on kokenut huomattavan kehityksen, ja väliversiot osoittavat, kuinka muotoilu ja ulkoasu muuttuivat yhä yksinkertaisemmiksi ja täydellisemmiksi. Kehittäjät luopuivat vähitellen monimutkaisista elementeistä - kuten siivistä tai ulkoisista polttoainesäiliöistä - ja tulivat siihen käsitykseen, että päärungon materiaalin tulisi olla hiilikuitua. Yhdessä ulkonäön kanssa sekä paino että kantokyky muuttuivat. "Parhaita nykyaikaisia materiaaleja käyttämällä on mahdotonta rakentaa alle 60-70 tonnin painoisia yksivaiheisia raketteja, mutta sen hyötykuorma on hyvin pieni", sanoo yksi kehittäjistä. - Mutta kun lähtömassa kasvaa, rakenteella (tiettyyn rajaan asti) on yhä pienempi osuus, ja sen käyttö on entistä kannattavampaa. Kiertoradalla tämä optimi on noin 160-170 tonnia, tästä mittakaavasta lähtien sen käyttö voi olla jo perusteltua."
KORONA-projektin uusimmassa versiossa laukaisumassa on vielä suurempi ja lähestyy 300 tonnia. Tällainen suuri yksivaiheinen raketti vaatii erittäin tehokkaan vedyn ja hapen avulla toimivan nestepolttoainesuihkukoneen käytön. Toisin kuin moottorit eri vaiheissa, tällaisen nestemäistä polttoainetta käyttävän rakettimoottorin on kyettävä toimimaan hyvin erilaisissa olosuhteissa ja eri korkeuksissa, mukaan lukien nousu ja lento ilmakehän ulkopuolella. "Perinteinen nestemäistä polttoainetta käyttävä moottori, jossa on Laval-suuttimet, on tehokas vain tietyillä korkeusalueilla", selittävät Makeevka-suunnittelijat, "joten tulimme tarpeeseen käyttää kiila-ilmarakettimoottoria." Tällaisten moottoreiden kaasusuihku mukautuu paineeseen "yli laidan", ja ne ylläpitävät tehokkuutta sekä pinnalla että korkealla stratosfäärissä.
Toistaiseksi maailmassa ei ole tämän tyyppistä toimivaa moottoria, vaikka niitä on käsitelty ja käsitellään sekä maassamme että Yhdysvalloissa. 1960 -luvulla Rocketdyne -insinöörit testasivat tällaisia moottoreita jalustalla, mutta ne eivät tulleet asennettaviksi ohjuksiin. CROWN on varustettava modulaarisella versiolla, jossa kiilailmasuutin on ainoa elementti, jolla ei vielä ole prototyyppiä eikä sitä ole testattu. Venäjällä on myös kaikki komposiittiosien valmistustekniikat - ne on kehitetty ja niitä käytetään menestyksekkäästi esimerkiksi All -Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) -instituutissa ja OJSC: ssä “Kompozit”.
Pystysuora istuvuus
Kun lentää ilmakehässä, CORONAn hiilikuituvahvisteinen muovirakenne peitetään VIAM: n Buransille kehittämillä lämpösuojalevyillä, ja sen jälkeen sitä on parannettu huomattavasti."Rakettimme pääasiallinen lämpökuorma keskittyy sen" nenään ", jossa käytetään korkean lämpötilan lämpösuojaelementtejä," suunnittelijat selittävät. - Tässä tapauksessa raketin laajenevien sivujen halkaisija on suurempi ja ne ovat terävässä kulmassa ilmavirtaan nähden. Niiden lämpökuorma on pienempi, mikä mahdollistaa kevyempien materiaalien käytön. Tämän ansiosta olemme säästäneet yli 1,5 tonnia. Korkean lämpötilan osan massa on enintään 6% lämpösuojan kokonaismassasta. Vertailun vuoksi sen osuus kuljetuksista on yli 20%."
Median tyylikäs, kapeneva muotoilu on seurausta lukemattomista kokeiluista ja erehdyksistä. Kehittäjien mukaan, jos otat vain mahdollisen uudelleenkäytettävän yksivaiheisen kuljettajan tärkeimmät ominaisuudet, sinun on harkittava noin 16 000 niiden yhdistelmää. Suunnittelijat arvostivat niitä satoja projektin parissa. "Päätimme hylätä siivet, kuten Buranilla tai avaruussukkulalla", he sanovat. - Yleensä yläilmakehässä ne häiritsevät vain avaruusaluksia. Tällaiset alukset tulevat ilmakehään hypersonisella nopeudella, joka ei ole parempi kuin "rauta", ja vain yliäänenopeudella ne siirtyvät vaakasuoralle lennolle ja voivat luottaa siipien aerodynamiikkaan."
Akselisymmetrinen kartion muoto helpottaa lämpösuojausta, mutta sillä on myös hyvä aerodynamiikka ajettaessa erittäin suurilla nopeuksilla. Raketti saa jo ilmakehän ylemmissä kerroksissa hissin, jonka avulla se ei vain jarruta täällä vaan myös liikkuu. Tämä puolestaan mahdollistaa tarvittavien liikkeiden suorittamisen korkealla paikalla laskeutumispaikkaa kohti, ja tulevassa lennossa on vain suoritettava jarrutus loppuun, korjattava kurssi ja käännettävä taaksepäin heikoilla ohjaamoilla.
Muista sekä Falcon 9 että New Shepard: pystysuorassa laskeutumisessa ei ole tänään mitään mahdotonta tai edes epätavallista. Samaan aikaan se mahdollistaa selviytymisen huomattavasti pienemmällä voimalla kiitotien rakentamisen ja käytön aikana - kiitotien, joille sukkulat ja Buran laskeutuivat, piti olla useita kilometrejä, jotta ajoneuvo jarrutettiin satojen kilometrien tunnissa nopeudella. "CROWN voi periaatteessa nousta jopa offshore -tasolta ja laskeutua sille", lisää yksi hankkeen kirjoittajista, "lopullinen laskeutumistarkkuus on noin 10 m, raketti lasketaan sisäänvedettävien pneumaattisten iskunvaimentimien päälle.” Jäljellä on vain diagnostiikka, tankkaus, uuden hyötykuorman asettaminen - ja voit lentää uudelleen.
KORONA toteutetaan edelleen ilman rahoitusta, joten Makeev -suunnittelutoimiston kehittäjät onnistuivat pääsemään vasta luonnoksen viimeiseen vaiheeseen.”Olemme kulkeneet tämän vaiheen lähes kokonaan ja täysin itsenäisesti ilman ulkoista tukea. Olemme jo tehneet kaiken mahdollisen, suunnittelijat sanovat. - Tiedämme, mitä, missä ja milloin pitäisi tuottaa. Nyt meidän on siirryttävä avainyksiköiden käytännön suunnitteluun, tuotantoon ja kehittämiseen, ja tämä vaatii rahaa, joten nyt kaikki riippuu niistä."
Myöhästynyt lähtö
CFRP -raketti odottaa vain laajamittaista laukaisua; saatuaan tarvittavan tuen suunnittelijat ovat valmiita aloittamaan lentotestit kuuden vuoden kuluttua ja seitsemän - kahdeksan vuoden kuluttua - aloittamaan ensimmäisten ohjusten kokeellisen toiminnan. He arvioivat, että tämä vaatii alle 2 miljardia dollaria - ei paljon rakettistandardien mukaan. Samaan aikaan sijoitetun pääoman tuottoa voidaan odottaa seitsemän raketin käytön jälkeen, jos kaupallisten laukaisujen määrä pysyy nykyisellä tasolla tai jopa 1,5 vuoden kuluttua - jos se kasvaa ennustettua vauhtia.
Lisäksi ohjauskoneiden, tapaamis- ja telakointitilojen läsnäolo raketissa mahdollistaa myös monimutkaisten usean laukaisun laukaisujärjestelmien luottamisen. Kun käytetty polttoaine ei ole laskeutumiseen, vaan hyötykuorman viimeistelyyn, on mahdollista tuoda se yli 11 tonnin massaan. Sitten CROWN telakoi toisen "säiliöaluksen" kanssa, joka täyttää säiliöt paluuta varten tarvittavalla lisäpolttoaineella. Silti paljon tärkeämpää on uudelleenkäytettävyys, joka ensimmäistä kertaa vapauttaa meidät tarpeesta kerätä mediaa ennen jokaista lanseerausta - ja menettää sen jokaisen käynnistyksen jälkeen. Vain tällainen lähestymistapa voi varmistaa vakaan kaksisuuntaisen liikennevirran luomisen maapallon ja kiertoradan välille ja samalla todellisen, aktiivisen ja laajamittaisen maanläheisen avaruuden hyödyntämisen alun.
Sillä välin CROWN on umpikujassa, New Shepardin työ jatkuu. Samanlainen japanilainen projekti RVT on myös kehittymässä. Venäläisillä kehittäjillä ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi tukea läpimurtoon. Jos sinulla on pari miljardia varaa, tämä on paljon parempi sijoitus kuin jopa maailman suurin ja ylellisin jahti.
