Смята се, че технологиите винаги се развиват постепенно, от прости до сложни, от нож за камък до стомана - и едва след това до програмирана фреза. Съдбата на космическата ракета обаче се оказа по -малко ясна. Създаването на прости, надеждни едноетапни ракети дълго време остава недостъпно за дизайнерите. Изискваха се решения, които нито учените по материали, нито инженерите -инженери биха могли да предложат. Досега ракетите -носители остават многостепенни и за еднократна употреба: невероятно сложна и скъпа система се използва за няколко минути, след което се изхвърля
„Представете си, че преди всеки полет ще сглобявате нов самолет: ще свържете фюзелажа към крилата, ще поставите електрически кабели, ще инсталирате двигателите и след кацане ще го изпратите на депо … Няма да летите далеч като това “, казаха ни разработчиците на Държавния ракетен център. Макеева. „Но точно това правим всеки път, когато изпращаме товар на орбита. Разбира се, в идеалния случай всеки би искал да има надеждна едноетапна „машина“, която не изисква сглобяване, но пристига на космодрома, зарежда се с гориво и стартира. И след това се връща и започва отново - и отново …
На половината път
Като цяло ракетата се опита да се справи с един етап от най -ранните проекти. В първоначалните скици на Циолковски се появяват точно такива структури. Той се отказа от тази идея едва по -късно, осъзнавайки, че технологиите от началото на ХХ век не позволяват да се реализира това просто и елегантно решение. Интересът към едноетапни превозвачи възниква отново през 60-те години на миналия век и такива проекти се разработват от двете страни на океана. До 70-те години на миналия век САЩ работят върху едностепенни ракети SASSTO, Phoenix и няколко решения, базирани на S-IVB, третия етап на ракетата-носител Saturn V, която доставя астронавти на Луната.
„Такава опция няма да се различава по товароносимост, двигателите не бяха достатъчно добри за това - но все пак това щеше да бъде един етап, доста способен да лети на орбита“, продължават инженерите. "Разбира се, икономически това би било напълно неоправдано." Композитите и технологиите за работа с тях се появяват едва през последните десетилетия, което дава възможност да се направи носача едноетапен и, освен това, за многократна употреба. Цената на такава "наукоемка" ракета ще бъде по-висока от тази на традиционен дизайн, но ще бъде "разпределена" върху много изстрелвания, така че цената на изстрелването ще бъде много по-ниска от обичайното ниво.
Именно повторното използване на медиите е основната цел на разработчиците днес. Системите за космическа совалка и Енергия-Буран бяха частично за многократна употреба. Многократното използване на първия етап се тества за ракети SpaceX Falcon 9. SpaceX вече направи няколко успешни кацания, а в края на март те ще се опитат да изстрелят един от етапите, които отново полетяха в космоса. „Според нас този подход може само да дискредитира идеята за създаване на истински носител за многократна употреба“, отбелязва Проектното бюро на Макеев. "Все още трябва да сортирате такава ракета след всеки полет, да инсталирате връзки и нови компоненти за еднократна употреба … и ние се връщаме там, откъдето започнахме."
Напълно използваемите носители все още са само под формата на проекти - с изключение на New Shepard на американската компания Blue Origin. Досега ракетата с пилотирана капсула е предназначена само за суборбитални полети на космически туристи, но повечето от намерените решения в този случай могат лесно да бъдат мащабирани за по -сериозен орбитален носител. Представителите на компанията не крият плановете си да създадат такава опция, за която вече се разработват мощни двигатели BE-3 и BE-4. „С всеки суборбитален полет ние се приближаваме към орбита“, увери Blue Origin. Но техният обещаващ превозвач New Glenn също няма да бъде напълно повторно използваем: само първият блок, създаден въз основа на вече тествания дизайн на New Shepard, трябва да се използва повторно.
Материална устойчивост
Материалите CFRP, необходими за напълно използваеми и едноетапни ракети, се използват в космическата техника от 90-те години на миналия век. През същите тези години инженерите от McDonnell Douglas бързо започнаха да изпълняват проекта Delta Clipper (DC-X) и днес биха могли да се похвалят с готов и летящ носител от въглеродни влакна. За съжаление, под натиска на Lockheed Martin, работата по DC-X беше прекратена, технологиите бяха прехвърлени в НАСА, където се опитаха да ги използват за неуспешния проект VentureStar, след което много инженери, участващи в тази тема, отидоха да работят в Blue Origin, а самата компания е поета от Boeing.
През същите 90 -те години руският SRC Макеев се заинтересува от тази задача. Оттогава проектът KORONA ("Космическа ракета, едноетапен носител на [космически] превозни средства") претърпя забележима еволюция, а междинните версии показват как дизайнът и оформлението стават все по-прости и съвършени. Постепенно разработчиците изоставиха сложни елементи - като крила или външни резервоари за гориво - и стигнаха до разбирането, че основният материал на корпуса трябва да бъде въглеродни влакна. Заедно с външния вид се променя и теглото, и товароносимостта. „Използвайки дори най-добрите съвременни материали, е невъзможно да се изгради едноетапна ракета с тегло под 60-70 тона, докато полезният й товар ще бъде много малък“, казва един от разработчиците. - Но с увеличаване на началната маса структурата (до определена граница) има все по-малък дял и става все по-изгодно да се използва. За орбитална ракета този оптимум е около 160-170 тона, като се започне от този мащаб, използването му вече може да бъде оправдано."
В последната версия на проекта KORONA стартовата маса е още по-висока и се доближава до 300 т. Такава голяма едностепенна ракета изисква използването на високоефективен реактивен реактивен двигател с течно гориво, работещ на водород и кислород. За разлика от двигателите на отделни етапи, такъв ракетен двигател с течно гориво трябва да може да работи в много различни условия и на различни височини, включително излитане и полет извън атмосферата. „Конвенционалният двигател с течно гориво с дюзи Laval е ефективен само при определени диапазони на надморска височина“, обясняват дизайнерите на Макеевка, „следователно стигнахме до необходимостта да използваме клиново-въздушен ракетен двигател.“Газовата струя в такива двигатели се настройва на налягането „зад борда“и те поддържат ефективност както на повърхността, така и високо в стратосферата.
Досега в света няма работещ двигател от този тип, въпреки че те са били и се занимават както у нас, така и в САЩ. През 60 -те години инженерите на Rocketdyne тестваха такива двигатели на стойка, но те не стигнаха до инсталиране на ракети. CROWN трябва да бъде оборудван с модулна версия, в която клин-въздушната дюза е единственият елемент, който все още няма прототип и не е тестван. Има и всички технологии за производство на композитни части в Русия - те са разработени и успешно се използват например във Всеруския институт за авиационни материали (ВИАМ) и в ОАО „Композит“.
Вертикално прилягане
При полет в атмосферата, подсилената с въглеродни влакна пластмасова структура на CORONA ще бъде покрита с термозащитни плочки, разработени от VIAM за Burans и оттогава са забележимо подобрени.„Основният топлинен товар на нашата ракета е концентриран върху нейния„ нос “, където се използват високотемпературни термозащитни елементи, - обясняват дизайнерите. - В този случай разширяващите се страни на ракетата имат по -голям диаметър и са под остър ъгъл спрямо въздушния поток. Топлинното натоварване върху тях е по -малко, което позволява използването на по -леки материали. В резултат на това сме спестили повече от 1,5 т. Масата на високотемпературната част не надвишава 6% от общата маса на термичната защита. За сравнение, той представлява повече от 20% от совалките."
Елегантният заострен дизайн на носителя е резултат от безброй опити и грешки. Според разработчиците, ако вземете само ключовите характеристики на възможен едноетапен превозвач за многократна употреба, ще трябва да вземете предвид около 16 000 комбинации от тях. Стотици от тях бяха оценени от дизайнерите по време на работата по проекта. „Решихме да изоставим крилата, като на Буран или космическата совалка“, казват те. - Като цяло в горните слоеве на атмосферата те пречат само на космическите кораби. Такива кораби влизат в атмосферата с хиперзвукова скорост не по -добра от "желязо" и само със свръхзвукова скорост преминават към хоризонтален полет и могат правилно да разчитат на аеродинамиката на крилата."
Осиметричната форма на конуса не само позволява по -лесна термична защита, но също така има добра аеродинамика при шофиране с много високи скорости. Вече в горните слоеве на атмосферата ракетата получава повдигане, което й позволява не само да спира тук, но и да маневрира. Това, от своя страна, прави възможно извършването на необходимите маневри на голяма надморска височина, насочвайки се към мястото за кацане, а в бъдещия полет остава само да завършите спирането, да коригирате курса и да завиете на задната част, като използвате слаби маневрени двигатели.
Припомнете си както Falcon 9, така и New Shepard: няма нищо невъзможно или дори необичайно във вертикалното кацане днес. В същото време това дава възможност да се мине със значително по -малко сили по време на изграждането и експлоатацията на пистата - пистата, на която кацнаха същите совалки и Буран, трябваше да има дължина от няколко километра, за да спира автомобила при със скорост стотици километри в час. „КОРОНАТА по принцип може дори да излети от офшорна платформа и да кацне на нея“, добавя един от авторите на проекта, „крайната точност на кацане ще бъде около 10 м, ракетата се спуска върху прибиращи се пневматични амортисьори.” Остава само да извършите диагностика, да заредите гориво, да поставите нов полезен товар - и можете да летите отново.
KORONA все още се изпълнява при липса на финансиране, така че разработчиците на дизайнерското бюро на Макеев успяха да стигнат само до последните етапи на проекта. „Ние сме преминали този етап почти изцяло и напълно независимо, без външна подкрепа. Вече направихме всичко, което можеше да се направи, - казват дизайнерите. - Знаем какво, къде и кога трябва да се произвежда. Сега трябва да преминем към практическото проектиране, производство и развитие на ключови единици, а това изисква пари, така че сега всичко зависи от тях."
Отложен старт
Ракетата CFRP очаква само мащабно изстрелване; при получаване на необходимата поддръжка конструкторите са готови да започнат летателни изпитания след шест години, а след седем до осем години - да започнат експериментална експлоатация на първите ракети. Те изчисляват, че това изисква по -малко от 2 милиарда долара - не много според ракетните стандарти. В същото време възвръщаемост на инвестициите може да се очаква след седем години използване на ракетата, ако броят на търговските изстрелвания остане на сегашното ниво или дори след 1,5 години - ако расте с прогнозните темпове.
Нещо повече, наличието на маневрени двигатели, места за срещи и докинг на ракетата също дава възможност да се разчита на сложни схеми за многократно изстрелване. След като изразходвате гориво не за кацане, а за довършване на полезния товар, е възможно да го доведете до маса над 11 тона. Тогава КОРОНАТА ще се прикрепи към втория, „танкер“, който ще напълни резервоарите си с допълнително гориво, необходимо за връщане. Но все пак много по -важно е повторното използване, което за първи път ще ни освободи от необходимостта да събираме медиите преди всяко стартиране - и да ги губим след всяко стартиране. Само такъв подход може да осигури създаването на стабилен двупосочен трафик между Земята и орбитата и в същото време началото на реална, активна, мащабна експлоатация на околоземното пространство.
Междувременно КОРОНАТА остава в безизходица, работата по New Shepard продължава. Подобен японски проект RVT също се развива. Руските разработчици може просто да нямат достатъчно поддръжка за пробив. Ако имате на разположение няколко милиарда, това е далеч по -добра инвестиция от дори най -голямата и най -луксозна яхта в света.
