Kosmos rosyjski: projekt „Korona” i inne osiągnięcia Państwowego Centrum Kosmicznego Makeev
Uważa się, że technologia zawsze rozwija się stopniowo, od prostych do złożonych, od noża do kamienia do noża ze stali - a dopiero potem do frezarki CNC. Jednak los nauki o rakietach kosmicznych nie był taki prosty. Tworzenie prostych, niezawodnych rakiet jednostopniowych przez długi czas pozostawało niedostępne dla projektantów. Potrzebne były rozwiązania, których nie mogli zaoferować ani naukowcy zajmujący się materiałami, ani inżynierowie silników. Do tej pory pojazdy nośne pozostawały wielostopniowe i jednorazowe: niezwykle złożony i drogi system jest używany przez kilka minut, po czym jest wyrzucany.
„Wyobraź sobie, że przed każdym lotem składasz nowy samolot: łączysz kadłub ze skrzydłami, układasz kable elektryczne, instalujesz silniki, a po wylądowaniu wysyłasz go na wysypisko… Tak daleko nie polecisz” – nazwali twórcy Państwowego Centrum Rakietowego. Makeev. „Ale to właśnie robimy za każdym razem, gdy wysyłamy ładunki na orbitę. Oczywiście w idealnym przypadku każdy chciałby mieć niezawodną jednostopniową „maszynę”, która nie wymaga montażu, ale dociera do kosmodromu, tankuje i startuje. A potem wraca i zaczyna od nowa - i znowu "...
Na półmetku
Ogólnie rzecz biorąc, technologia rakietowa od najwcześniejszych projektów próbuje przejść przez jeden etap. W początkowych szkicach Ciołkowskiego pojawiają się właśnie takie konstrukcje. Porzucił ten pomysł dopiero później, zdając sobie sprawę, że technologie początku XX wieku nie pozwalają na realizację tego prostego i eleganckiego rozwiązania. Ponownie zainteresowanie jednostopniowymi lotniskowcami pojawiło się już w latach 1960., a projekty takie opracowywano po obu stronach oceanu. W latach 1970. Stany Zjednoczone pracowały nad jednostopniowymi rakietami SASSTO, Phoenix i kilkoma rozwiązaniami opartymi na S-IVB, trzecim etapie rakiety nośnej Saturn V, która dostarczała astronautów na Księżyc.
KORONA powinna stać się robotem i otrzymać inteligentne oprogramowanie do systemu sterowania. Oprogramowanie będzie można aktualizować bezpośrednio w locie, aw nagłych przypadkach automatycznie „przywróci” stabilną wersję zapasową.
„Ta opcja nie różniłaby się nośnością, silniki nie byłyby do tego wystarczająco dobre - ale nadal byłby to jeden stopień, całkiem zdolny do lotu na orbitę”, kontynuują inżynierowie. „Oczywiście ekonomicznie byłoby to całkowicie nieuzasadnione”. Dopiero w ostatnich dziesięcioleciach pojawiły się kompozyty i technologie pracy z nimi, które umożliwiają wykonanie nośnika jednostopniowego, a ponadto wielokrotnego użytku. Koszt takiej „naukowej” rakiety będzie wyższy niż tradycyjnego projektu, ale będzie „rozłożony” na wiele startów, więc cena startu będzie znacznie niższa niż zwykle.
To właśnie możliwość ponownego wykorzystania nośników jest dziś głównym celem programistów. Systemy Space Shuttle i Energia-Buran były częściowo wielokrotnego użytku. Wielokrotne użycie pierwszego stopnia jest testowane dla rakiet SpaceX Falcon 9. SpaceX ma na swoim koncie już kilka udanych lądowań, a pod koniec marca spróbuje ponownie wystrzelić jeden ze stopni w kosmos. „Naszym zdaniem takie podejście może jedynie zdyskredytować pomysł stworzenia prawdziwego nośnika wielokrotnego użytku” – zauważa Makeeva. „Taką rakietę trzeba jeszcze uporządkować po każdym locie, zamontować połączenia i nowe jednorazowe komponenty… i wracamy do punktu wyjścia”.
Nośniki w pełni wielokrotnego użytku pozostają na razie tylko w formie projektów – z wyjątkiem New Shepard amerykańskiej firmy Blue Origin. Jak dotąd rakieta z załogową kapsułą jest przeznaczona tylko do lotów suborbitalnych turystów kosmicznych, ale większość rozwiązań znalezionych w tym przypadku można przeskalować na poważniejszy nośnik orbitalny. Przedstawiciele firmy nie ukrywają planów stworzenia takiego wariantu, dla którego opracowywane są już potężne silniki BE-3 i BE-4. „Z każdym lotem suborbitalnym zbliżamy się do orbity” — mówi Blue Origin. Ale ich obiecujący lotniskowiec New Glenn również nie będzie w pełni nadawał się do ponownego użycia: tylko pierwszy blok, stworzony na podstawie przetestowanego już projektu New Shepard, powinien zostać ponownie użyty.
Odporność materiału
Materiały CFRP potrzebne do jednostopniowych rakiet wielokrotnego użytku są stosowane w technologii lotniczej od lat 1990. XX wieku. W tych samych latach inżynierowie McDonnell Douglas szybko przystąpili do realizacji projektu Delta Clipper (DC-X) i dziś mogli się z powodzeniem pochwalić gotowym i latającym transporterem z włókna węglowego. Niestety pod naciskiem firmy Lockheed Martin prace nad DC-X zostały wstrzymane, technologie zostały przekazane NASA, gdzie próbowano je wykorzystać w nieudanym projekcie VentureStar, po czym wielu inżynierów zaangażowanych w ten temat przeszło do pracy w Blue Origin, a sama firma została wchłonięta przez Boeinga.
W tych samych latach 1990. tym zadaniem zainteresował się również rosyjski SRC Makeev. Z biegiem lat projekt KORONA („Rakieta kosmiczna, jednostopniowy pojazd nośny [kosmiczny]”) przeszedł zauważalną ewolucję, a opcje pośrednie pokazują, jak projekt i układ stawały się coraz prostsze i doskonalsze. Stopniowo twórcy odchodzili od skomplikowanych elementów – takich jak skrzydła czy zewnętrzne zbiorniki paliwa – i doszli do wniosku, że włókno węglowe powinno stać się głównym materiałem kadłuba. Wraz z wyglądem zmieniała się zarówno masa, jak i nośność. „Korzystając nawet z najlepszych nowoczesnych materiałów, nie da się zbudować jednostopniowej rakiety ważącej mniej niż 60-70 ton, a jej ładowność będzie bardzo mała”, mówi jeden z twórców. - Ale wraz ze wzrostem masy startowej konstrukcja (do pewnego limitu) ma coraz mniejszy udział i coraz bardziej opłaca się z niej korzystać. Dla rakiety orbitalnej to optimum to około 160-170 ton, począwszy od tej skali jej użycie może być już uzasadnione.
W najnowszej wersji projektu KORONA masa startowa jest jeszcze większa i zbliża się do 300 t. Tak duża jednostopniowa rakieta wymaga zastosowania wysokosprawnego silnika na paliwo ciekłe zasilanego wodorem i tlenem. W przeciwieństwie do silników w oddzielnych stopniach, taki LRE musi „być w stanie” działać w bardzo różnych warunkach i na różnych wysokościach, w tym startować i latać poza atmosferą. „Konwencjonalny silnik na ciecz z dyszami Lavala jest skuteczny tylko w określonych zakresach wysokości”, wyjaśniają projektanci Makeev, „więc doszliśmy do potrzeby zastosowania silnika rakietowego z klinem”. Strumień gazu w takich silnikach dostosowuje się do ciśnienia panującego za burtą i pozostają one skuteczne zarówno przy powierzchni, jak i wysoko w stratosferze.
Kontener ładunku
Jak dotąd na świecie nie ma działającego silnika tego typu, chociaż były i są zaangażowane zarówno w naszym kraju, jak iw USA. W latach 1960. inżynierowie Rocketdyne testowali takie silniki na stole warsztatowym, ale nigdy nie trafiły one do instalacji w rakietach. KORONA powinna być wyposażona w wersję modułową, w której dysza klinowo-powietrzna jest jedynym elementem, który nie został jeszcze sprototypowany i nie został opracowany. W Rosji istnieją wszystkie technologie produkcji części kompozytowych - zostały one opracowane i z powodzeniem stosowane na przykład w Wszechrosyjskim Instytucie lotnictwo materiały (VIAM) i JSC Composite.
Dopasowanie pionowe
Podczas lotu w atmosferze struktura nośna KORONY z włókna węglowego zostanie pokryta płytkami termoizolacyjnymi opracowanymi w VIAM dla Buranov i od tego czasu została znacznie ulepszona. „Główne obciążenie termiczne naszej rakiety koncentruje się na jej „palcu”, gdzie zastosowano wysokotemperaturowe elementy ochrony termicznej” – wyjaśniają projektanci. - Jednocześnie rozszerzające się boki rakiety mają większą średnicę i są ustawione pod ostrym kątem do strumienia powietrza. Obciążenie temperaturowe na nich jest mniejsze, co pozwala na użycie lżejszych materiałów. W rezultacie zaoszczędziliśmy ponad 1,5 t. Masa części wysokotemperaturowej nie przekracza 6% całkowitej masy zabezpieczenia termicznego. Dla porównania, Shuttle stanowi ponad 20%.
Elegancka, zwężająca się konstrukcja nosidełka jest wynikiem niezliczonych prób i błędów. Według twórców, jeśli weźmiemy pod uwagę tylko kluczowe cechy ewentualnego jednostopniowego nośnika wielokrotnego użytku, to będziemy musieli wziąć pod uwagę około 16 000 ich kombinacji. Setki z nich zostały ocenione przez projektantów podczas pracy nad projektem. „Zdecydowaliśmy się zrezygnować ze skrzydeł, jak na Buranie czy promie kosmicznym” – mówią. - Ogólnie rzecz biorąc, w górnych warstwach atmosfery przeszkadzają tylko statkom kosmicznym. Takie statki wchodzą w atmosferę z prędkością naddźwiękową nie lepszą niż żelazo i dopiero przy prędkości naddźwiękowej przechodzą do lotu poziomego i mogą właściwie polegać na aerodynamice skrzydeł.
Osiowosymetryczny stożkowy kształt nie tylko ułatwia ochronę termiczną, ale także zapewnia dobrą aerodynamikę podczas jazdy z bardzo dużymi prędkościami. Już w górnych warstwach atmosfery rakieta otrzymuje siłę nośną, co pozwala jej nie tylko zwolnić, ale także manewrować. To z kolei umożliwia wykonanie niezbędnych manewrów na dużej wysokości, kierując się w stronę lądowiska, aw dalszym locie pozostaje już tylko dokończyć hamowanie, skorygować kurs i skręcić rufą przy użyciu słabych sterów strumieniowych.
Rozważmy zarówno Falcona 9, jak i Nowego Sheparda: nie ma dziś nic niemożliwego ani nawet niezwykłego w lądowaniu w pionie. Jednocześnie pozwala poradzić sobie ze znacznie mniejszymi siłami podczas budowy i eksploatacji pasa startowego – pas, na którym lądowały te same wahadłowce i Buran musiał mieć kilka kilometrów długości, by wyhamować urządzenie do prędkości setek kilometrów na godzinę. „KORONA w zasadzie może nawet wystartować z morskiej platformy i na niej wylądować” – dodaje jeden z autorów projektu – „nasza ostateczna celność lądowania wyniesie około 10 m, rakieta opada na wysuwanych amortyzatorach pneumatycznych”. Pozostaje tylko przeprowadzić diagnostykę, zatankować, umieścić nowy ładunek - i znów można latać.
KORONA jest nadal wdrażana z powodu braku funduszy, więc twórcom Biura Projektowego Makeev udało się dotrzeć tylko do końcowych etapów wstępnego projektu. „Przeszliśmy przez ten etap prawie w całości i całkowicie samodzielnie, bez wsparcia z zewnątrz. Wszystko, co można było zrobić, już zrobiliśmy – mówią projektanci. Wiemy co, gdzie i kiedy powinno być produkowane. Teraz musimy przejść do praktycznego projektowania, produkcji i rozwoju kluczowych komponentów, a to wymaga pieniędzy, więc teraz wszystko zależy od nich.
Opóźniony start
Rakieta z włókna węglowego czeka tylko na start na dużą skalę, po otrzymaniu niezbędnego wsparcia projektanci są gotowi rozpocząć próby w locie za sześć lat, a za siedem lub osiem rozpocząć próbną eksploatację pierwszych pocisków. Według ich szacunków wymaga to kwoty mniejszej niż 2 miliardy dolarów - jak na standardy nauki o rakietach, całkiem sporo. Jednocześnie zwrotu z inwestycji można spodziewać się po siedmiu latach użytkowania rakiety, jeśli liczba komercyjnych startów utrzyma się na dotychczasowym poziomie lub nawet po 1,5 roku, jeśli będzie rosła w przewidywanym tempie.
Co więcej, obecność silników manewrowych, środków spotkania i dokowania na rakiecie umożliwia poleganie na złożonych schematach wielokrotnego startu. Zużywszy paliwo nie przy lądowaniu, ale przy ostatecznym wycofaniu ładunku, można doprowadzić go do masy ponad 11 t. Wtedy KORONA zadokuje z drugim „tankowcem”, który napełni jego zbiorniki dodatkowym paliwem niezbędnym do powrotu. Ale i tak o wiele ważniejsza jest możliwość ponownego użycia, która po raz pierwszy uchroni nas przed koniecznością odbierania nośnika przed każdym startem – i gubienia go po każdym wyjęciu. Tylko takie podejście może zapewnić stworzenie stabilnego dwukierunkowego przepływu ładunków między Ziemią a orbitą, a jednocześnie rozpoczęcie rzeczywistej, aktywnej eksploatacji na dużą skalę przestrzeni okołoziemskiej.
W międzyczasie, gdy CROWN pozostaje w zawieszeniu, prace nad New Shepard trwają. Podobny japoński projekt RVT również się rozwija. Rosyjscy programiści mogą po prostu nie mieć wystarczającego wsparcia, aby dokonać przełomu. Jeśli masz kilka dodatkowych miliardów, będzie to znacznie lepsza inwestycja niż nawet największy i najbardziej luksusowy jacht na świecie.
informacja