Próba nr 2. Amerykańska rakieta LEGO
Myślę, że wielu entuzjastów astronautyki, którzy są aktywnie zainteresowani historia i obecny stan rzeczy w dziedzinie eksploracji i eksploracji kosmosu, rozpoznaliśmy już rakietę przedstawioną na zdjęciu tytułowym.
Ta rakieta, a dokładniej rakieta nośna, jest największą rakietą na paliwo stałe, jaka kiedykolwiek została stworzona przez ludzkość.
Cóż, teraz stało się jeszcze bardziej.
Jest to boczny wzmacniacz systemu promu kosmicznego, który teraz stał się jeszcze większy, otrzymał, oprócz standardowych czterech sekcji, z którymi wystrzelił prom kosmiczny, dodatkową piątą sekcję, która pozwoli mu stać się rakietą booster dla nowego superciężkiego kosmicznego systemu startowego NASA o nazwie SLS (Space Launch System).
To właśnie ten system, zgodnie z ideą NASA, powinien zwrócić palmę pierwszeństwa Stanom Zjednoczonym Ameryki we wszystkich aspektach eksploracji kosmosu, dając po drodze całej ludzkości możliwość powrotu do kosmicznej granicy, ostatecznie przerywając błędne koło niska orbita okołoziemska i powrót do tematu eksploracji Księżyca, a nawet... Marsa.
Jak realistyczny i wykonalny jest ten ambitny program? Spróbujmy to rozgryźć.
Porównawcze rozmiary historycznych, nowoczesnych i amerykańskich systemów startowych w trakcie opracowywania.
Szybkie pytanie: dlaczego Delta IV jest większa niż Falcon 9?
Obecny stan amerykańskiej astronautyki po odejściu systemu wahadłowców kosmicznych z areny jest raczej godny ubolewania: najcięższym pojazdem nośnym, jakim dysponują na dzień dzisiejszy Stany Zjednoczone, jest Delta IV Heavy, która może wejść na niską orbitę okołoziemską (LEO) ładunek 28,4 tony.
Rodzina Delta IV, pomimo wielu wysiłków projektowych, inżynieryjnych i komercyjnych podejmowanych przez Boeinga w celu stworzenia i wypromowania swojego potomstwa na rynku, okazała się być „w niewłaściwym czasie i w niewłaściwym miejscu”: na tle niskich kosztów wystrzelenia rosyjskiej rakiety Proton i ukraińskiej rakiety Zenit-3SL koszt wystrzelenia ładunku za pomocą Delta IV okazał się całkowicie nie do zniesienia.
Jednorazowy start Delta IV kosztował 140-170 milionów dolarów, podczas gdy koszt Protona, podobnego pod względem ładowności, to około 100 milionów dolarów, a koszt wystrzelenia mniejszej, ale konkurencyjnej wobec ukraińskiej Delty IV "Zenith-3SL". ” był jeszcze niższy – tylko 60 milionów dolarów.
Tak wysoki koszt wystrzelenia Delty IV zmusił Boeinga do ubiegania się wyłącznie o zamówienia rządowe, w wyniku czego wszystkie starty Delty, z wyjątkiem jednego, zostały opłacone przez Departament Stanu budżetu amerykańskiego.
Wprowadzenie rakiety nośnej „Delta IV” w wariancie ciężkim. Masa początkowa to około 733 tony.
W końcu, w połowie lat 2000, Delta IV w końcu wypadła z komercyjnego segmentu startów kosmicznych - i nie mogła tam wrócić aż do teraz, kiedy chłopaki z prywatnego sklepu SpaceX, którego rakieta Falcon 9 również zbliżyła się do Nisza rynkowa Delta IV i modyfikacja tego samego pocisku o nazwie Falcon 2015 Heavy, której wystrzelenie zaplanowano na 9 rok, nawet ją przekroczyły.
Na starcie Falcon 9 Heavy natychmiast włączy się 27 silników Merlin o ciągu 66 ton każdy, napędzanych naftą i tlenem.
To dzieło Elona Muska powinno doprowadzić „prywatny” program kosmiczny SpaceX do wcześniej nieosiągalnego poziomu: w przypadku jednorazowej wersji rakiety nośnej masa ładunku wyjściowego do LEO wyniesie do 53 ton, do GPO - 21,2 tony i na trajektorię na Marsa - 13,2 tony. Wraz ze zwrotem bocznych boosterów i jednostki centralnej ładowność nie przekroczy 32 ton na LEO - za ponowne użycie pojazdu nośnego trzeba zapłacić dodatkowym zużyciem paliwa, a co za tym idzie zmniejszeniem ładowności.
Wśród innowacji technicznych w rozwoju Falcon 9 Heavy, deweloper ogłosił unikalną możliwość przelania paliwa i utleniacza podczas lotu z bocznych dopalaczy do pierwszego stopnia pojazdu startowego, co umożliwi posiadanie pełnych zbiorników paliwa środkowa sekcja w momencie oddzielenia bocznych dopalaczy i poprawienia osiągów ładunku wypuszczanego na orbitę.
Montaż korpusów pierwszych stopni rakiet Falcon 9. Teraz w kole jest już zainstalowanych 8 silników, z jednym centralnym. Zatłoczone, ale nie szalone.
Wspomniana w ostatnim akapicie „trajektoria na Marsa” nie jest abstrakcją. Przy masie startowej 1 ton, dwukrotnie większej niż masa rekordowej obecnie Delty IV, ciężki Sokół jest już niezbędną odskocznią, która pozwala poważnie pomyśleć o lotach na Księżyc i Marsa. Choć w konfiguracji, która bardziej przypomina radzieckie eksperymenty z serią pojazdów Zond niż kolosalny amerykański program Saturn-Apollo.
Jednak w drodze na szczyt koncepcje Delta IV i Falcon 9 z bocznymi dopalaczami, które są „klonami” swoich pierwszych etapów, zaczynają się ślizgać zgodnie z oczekiwaniami.
Rzecz w tym, że nie da się pomnożyć w nieskończoność początkowych „boków”, które pozwalają na zwiększenie masy ładunku wyświetlanego na LEO – dwa lub cztery klocki boczne można jeszcze jakoś doczepić do środkowego, ale wtedy złożoność montażu i zarządzania taką wieloskładnikową strukturą rośnie wykładniczo.
To właśnie na tym ogólnie „napełniono” królewską rakietę księżycową N-1, w której na pierwszym stopniu stanęło 30 silników rakietowych NK-33, które wraz z pięciostopniowym schematem samej rakiety, nie pozwoliła dopracować do końca wszystkich kwestii jego bezproblemowego uruchomienia.
Obecna konfiguracja Falcona 9, która startuje od razu z 27 silnikami, jest już bliska granicy złożoności, a ponadto najprawdopodobniej firma Elona Muska będzie już musiała zwiększyć masę i rozmiar pojedynczej jednostki rakietowej, co natychmiast się zwiększa. wymagania w całym łańcuchu produkcji, transportu i startu rakiet.
Rosyjska obiecująca rodzina rakiet Angara prawdopodobnie będzie miała podobne problemy. Już niewielki względny rozmiar pojedynczego bloku powoduje, że rakietę Angara-A5 o masie startowej 733 ton trzeba natychmiast wyposażyć w cztery przyspieszające „boki” (o nośności 24,5 tony w LEO).
Angara-A5 przed startem 23 grudnia 2014 r. Na starcie pracuje pięć silników RD-191, każdy o ciągu 196 ton.
Dalszy wzrost nośności Angary opiera się na fakcie, że do podstawy drugiego stopnia należy dołączyć nie cztery, ale sześć rakiet nośnych, co być może już stanowi swego rodzaju ograniczenie konstrukcyjne i inżynieryjne dla systemów pakietów skalowania. limitem dla koncepcji Falcon 9 jest 27 silników Merlin-1D na trzech blokach startowych.
Powstały projekt Angara-A7 będzie mógł, według obliczeń, z własną masą startową 1370 ton, wystrzelić do LEO ładunek 50 ton (w przypadku wykorzystania paliwa wodorowego do drugiego etapu), co najprawdopodobniej być maksymalnym skalowaniem koncepcji rodziny rakiet Angara.
Porównanie „Angary A5” i koncepcji „Angara A7” – z naftą i paliwem wodorowym. Jednocześnie oto odpowiedź - dlaczego Delta IV jest duża, a Falcon 9 jest mały.
Ogólnie rzecz biorąc, cokolwiek by nie powiedzieć, koncepcje oparte na jednostce rakietowej klasy 200, a nawet 400 ton, wciąż okazuje się, że konstrukcyjno-inżynieryjny limit karachunów dla takich „pakietowych” pocisków wynosi około 1300-1500. ton, co odpowiada masie wyjściowej 45-55 ton na LEO.
Ale wtedy już konieczne jest zwiększenie zarówno ciągu pojedynczego silnika, jak i wielkości stopnia rakietowego lub dopalacza.
I tak właśnie dzisiaj przebiega projekt SLS.
Po pierwsze, biorąc pod uwagę negatywne doświadczenia Delty IV, twórcy SLS starali się jak najlepiej wykorzystać wcześniejsze wydarzenia. Wszystko i wszystko weszło do akcji: dopalacze rakietowe promu kosmicznego, które zostały wzmocnione w celu stworzenia ciężkiej rakiety i stare silniki wodorowo-tlenowe RS-25 samego promu, które zostały zainstalowane na drugim stopniu, oraz . ... (zwolennicy teorii " spisek księżycowy - przygotujcie się!) dawno zapomniane silniki wodorowo-tlenowe J-2X, które pochodzą z silników drugiego i trzeciego stopnia rakiety księżycowej Saturn V i które mają być stosowany w zaprojektowanych górnych stopniach SLS!
Co więcej, długoterminowe plany ulepszenia dopalaczy SLS zakładają dwa konkurujące projekty wykorzystujące silniki na paliwo ciekłe zamiast silników rakietowych na paliwo stałe: projekt firmy Aerojet, która zaprezentowała swój silnik naftowo-tlenowy o obiegu zamkniętym AJ1E6, który jest opracowywany na przyszłość ” ciężki” transporter, który wywodził się z rakiet NK-33 Royal H-1 – oraz projekt Pratt & Whitney Rocketdyne, który proponuje… (i znowu, niespodzianka, księżycowi sceptycy!) przywrócić produkcję silników F-1 w USA, które kiedyś podniosły słynną rakietę Saturn V z Ziemi ”.
Być może życie znów powróci do tych stanowisk testowych. Testy pierwszego etapu rakiety nośnej Saturn V - Saturn 1C w sierpniu 1968 r. na stanowisku cyklopowym B-2. Zauważ, że scena jest transportowana na barce.
Uczestniczy w opracowaniu przyszłego, obiecującego wzmacniacza startowego i obecnego producenta dopalaczy na paliwo stałe, które są na początkowym montażu rakiety SLS, Blok I - ATK (Alliant Techsystems), który zaproponował dalsze powiększenie istniejącego dopalacza promu kosmicznego , zwiększając jego długość i średnicę . Projekt obiecującego akceleratora z ATK nosi nazwę „Czarny rycerz” (Mroczny rycerz).
Cóż, jako wisienka na torcie – jedna z przyszłych konfiguracji systemu SLS, Block Ib, zakłada wykorzystanie bloku wodorowo-tlenowego zapożyczonego z… rakiety Delta IV jako trzeciego stopnia!
To jest „piekielne LEGO”, w którym NASA próbowała ocenić, połączyć i wykorzystać wszystkie istniejące rozwiązania w dziedzinie ciężkich rakiet.
Jaka jest rodzina nośników SLS? Rzeczywiście, jak już pamiętamy na przykładzie Delty IV, Angary i Falcona 9, gabaryty mogą być mylące.
Oto prosty diagram, aby zrozumieć, co było zamierzone:
Po lewej stronie diagramu znajdują się ciężkie pojazdy nośne, które do tej pory istniały w Stanach Zjednoczonych. Księżycowy Saturn V, który mógł dostarczyć LEO ładunek 118 ton, oraz prom kosmiczny, który wydawał się umieszczać na orbicie wahadłowiec wielokrotnego użytku ważący od 120 do 130 ton, ale jednocześnie mógł dostarczyć z nim tylko bardzo skromny ładowność - tylko 24 tony ładowności.
Koncepcja SLS będzie realizowana w dwóch zasadniczych wersjach: załogowej (załoga) i bezzałogowej (ładunek).
Ponadto niedostępność trzech obiecujących projektów dopalaczy rakietowych firm Aerojet, Rocketdyne i ATK zmusza NASA do korzystania z dostępnych „części LEGO rakiet”, a mianowicie tych samych ulepszonych dopalaczy wahadłowca kosmicznego o pięciu sekcjach.
Zbudowany w ten sposób przejściowy „transportowiec” (oficjalnie nazywany SLS Block I), jednak według wszelkich obliczeń będzie miał już znacznie poważniejszą nośność niż działająca Delta IV czy gotowy do startu Falcon 9 Heavy. Pojazd startowy SLS Block I będzie w stanie podnieść do LEO ładunek o wadze 70 ton.
W porównaniu z koncepcją SLS pokazane są wstrzymane prace NASA w ramach programu Constellation - nie do końca stworzona rakieta Ares (Mars), która wykonała tylko jeden lot testowy w 2009 roku, w projekcie Ares 1X, składający się z tego samego zmodyfikowanego czterosegmentowego wzmacniacza promu kosmicznego, do którego podłączono obciążenie testowe piątego segmentu i próbne obciążenie drugiego stopnia. Celem tego lotu próbnego było przetestowanie działania pierwszego stopnia na paliwo stałe w układzie „pojedynczy drążek” („log”), jednak coś musiało się wydarzyć podczas prób, kiedy rozdzielono I i II stopień, nastąpił nieautoryzowany skok do przodu pierwszego stopnia, spowodowany najwyraźniej przez wypalenie fragmentów paliwa oderwanych przez pchnięcie w nim. Wzmacniacz na paliwo stałe w końcu dogonił makietę drugiego stopnia i staranował ją.
Potem dość nieudana próba złożenia „nowego LEGO” ze starych części została wyłączona w NASA, projekt Ares i sama konstelacja zostały zepchnięte na półkę nieudanych koncepcji, a także z wypracowanego zaległości w ramach Konstelacja pozostała tylko dość udana orbitalna załogowa jednostka kosmiczna ” Orion, który został zbudowany zgodnie ze zwykłym schematem kapsuł powrotnych dla statków jednorazowych, co ostatecznie położyło kres szybowcowi wielokrotnego użytku promu kosmicznego.
Sonda Orion przed pierwszym startem na rakiecie Delta IV. grudzień 2014.
Średnica statku Orion wynosi 5,3 metra, masa statku to około 25 ton. Wewnętrzna objętość Oriona będzie 2,5 razy większa niż wewnętrzna objętość statku kosmicznego Apollo. Objętość kabiny statku to ok. 9 m³. Dzięki tak imponującej masie statku orbitalnego i wolnej objętości wewnętrznej, Orion może zapewnić podtrzymanie życia dla 6 astronautów podczas misji w pobliżu Ziemi na niskich orbitach (na przykład podczas wyprawy na ISS).
Jednak, jak już wspomniano na wstępie, głównym zadaniem Oriona, a także ze względu na umieszczenie go na orbitach poza nisko referencyjnym systemem startowym SLS, jest powrót Stanów Zjednoczonych do zadań zagospodarowania przestrzeni dalekiej bliskiej Ziemi, a przede wszystkim ze wszystkich Księżyc i Mars.
To właśnie podczas lotu na Księżyc i być może na Marsa główne wysiłki Stanów Zjednoczonych i Rosji mają na celu ulepszenie ich statków kosmicznych i pojazdów nośnych.
Tutaj w zasadzie w dogodnej formie tabelarycznej analizowana jest różnica między amerykańskim Orionem a rosyjskim systemem PPTS.
O nazwę PPKS PPTS oczywiście trzeba od razu kogoś pokonać, ale cóż. I generalnie, niestety, wszystko jest nadal bardzo skomplikowane z projektem PCA.
Dlatego jeśli chodzi o PPTS, to na razie mamy tylko śmieszne zdjęcia z wystawy. Ale w rzeczywistości niewiele zostało do tej pory zrobione ...
Jest tylko układ - między przeszłością a przyszłością. Jest tylko układ - trzymaj się go ...
Poza problemami z finansowaniem, niezrozumieniem koncepcji i szeregiem problemów projektowych i inżynieryjnych, przyszłość PPTS jest również niepewna ze względu na brak odpowiedniego pojazdu nośnego do niektórych zaplanowanych zadań. Jak już powiedziałem, na razie Rosja ma tylko Angarę-A5 „w metalu”, która może dostarczyć LEO nie więcej niż 24,5 tony, co wystarcza na misje blisko Ziemi, ale już absolutnie za mało do dalszego szturmu na Księżyc lub Marsa.
Ponadto koncepcja PPTS opierała się na stworzeniu alternatywy dla pocisków Angara z rodziny Rus-M, nad którą prace również zostały na razie wstrzymane.
Projekty rakiet rodziny Rus na tle rodzin Sojuz i Angara.
Głównym celem pocisków z rodziny „Rus” było zapewnienie lotów załogowych, dzięki czemu rakieta, przy wszystkich innych warunkach, ma mniejszy ładunek na LEO niż pociski z rodziny „Angara”. Wynika to z faktu, że podczas lotów załogowych jednym z wymogów jest zdolność wyrzutni do opuszczenia startu nawet w przypadku awarii jednego z silników oraz wymóg zapewnienia kontynuacji lotu w przypadku kolejnej awarii. jednego z silników - z kontynuacją wystrzelenia statku kosmicznego na niską orbitę lub zapewnieniem ratunku i bezpiecznego lądowania.
Wymagania te, w tym specjalna trajektoria wycofywania, która powinna zapewniać załodze przeciążenie nie większe niż 12 g w sytuacjach awaryjnych oraz obecność systemu ratownictwa ratunkowego (SAS), prowadzą do znacznego zmniejszenia nośności pojazdu. Rus w wersji załogowej.
Ponadto wybrano średnicę projektową bloku bazowego „Rus” wynoszącą 3,8 metra w oparciu o tradycyjny dla ZSRR i Rosji transport części pojazdów nośnych koleją.
Z kolei w Stanach Zjednoczonych, począwszy od programu Saturn-Apollo, pierwsze etapy pojazdów nośnych wykonano w oparciu o odpowiednią wielkość, uwzględniając możliwość ich transportu transportem wodnym (przybrzeżno-morskim i rzecznym) , co znacznie uprościło wymagania dotyczące wymiarów oddzielnego bloku rakietowego .
Transport pierwszego etapu rakiety Saturn V na barce Pearl River.
Dziś prace nad SLS i Orionem, nawet po upadku Konstelacji, idą pełną parą.
Po zakończeniu prac nad Blokiem I SLS, który będzie oparty niemal w całości na istniejącym backlogu promu kosmicznego, NASA planuje przejść do kolejnego, znacznie bardziej ambitnego etapu – Bloku II SLS, z przystankami pośrednimi w postaci Bloku Ia oraz Blok SLS Ib.
Opcja budowania LEGO, jeśli dopalacze rakietowe będą gotowe wcześniej. Blok I, Blok Ia, a następnie Blok II.
Opcja budowania LEGO, jeśli zmodyfikowany trzeci etap jest gotowy wcześniej. Blok I, Blok Ib, a następnie Blok II.
Pojazd nośny SLS Block Ia powinien już otrzymać niektóre z obiecujących wzmacniaczy startowych rakiet: albo od Aerojet na naftę-tlen AJ1E6 o zamkniętym obiegu, albo od Rocketdyne na zmodyfikowanym F-1 o otwartym cyklu z Saturn V, albo na nowy "Czarny Rycerz" na paliwo stałe od ATK.
Każda z tych opcji będzie w stanie zapewnić projektowi Block Ia nośność LEO około 105 ton, która jest już porównywalna z nośnością Saturn V i promu kosmicznego (jeśli liczyć to razem z wahadłowcem).
Te same zadania rozwiąże stworzenie wielkoskalowego i dostosowanego do wielkości całego systemu startowego trzeciego stopnia kriogenicznego, który może uzupełnić dwustopniowy system Block I (boost startowy i scena centralna na Space silniki wahadłowe) z trzecim stopniem, który dla wariantu Block Ia będzie, jak już wspomniałem, zapożyczony z rakiety Delta IV, a także zapewni SLS-owi moc wyjściową do 105 ton ładowności dla LEO.
I wreszcie finalna wersja systemu Block II powinna już otrzymać pełnowymiarowy trzeci stopień zaprojektowany specjalnie dla masy SLS, który będzie wykorzystywał, podobnie jak drugi stopień Saturn V, 5 zaawansowanych silników J-2X i przyniesie 130 ton ładunek do LEO.
Ale nawet przy tych wszystkich sztuczkach takie „kosmiczne LEGO” będzie kosztować około 500 milionów dolarów na start, co oczywiście jest mniej niż koszt wystrzelenia promu kosmicznego (1,3 miliarda dolarów), ale wciąż - wystarczająco czułe dla Budżet NASA.
Jakie zadania powinien rozwiązać SLS i dlaczego NASA nie bierze pod uwagę opcji Falcon 9 Heavy, która podobno powinna zapewnić koszt 135 milionów dolarów za jednorazowy system z przelewem paliwa i 53 tony ładunku dla LEO?
Rzecz w tym, że NASA celowała w Księżyc, Marsa, a nawet asteroidy i satelity Jowisza! A Falcon 9 Heavy okazuje się zbyt małą rakietą do takich zadań…
Rakieta jądrowa - na Marsa!
Ale to oczywiście temat na dobry osobny artykuł….
PS. Po ponownym przeczytaniu mojego artykułu informuję.
Jeśli krytykuję współczesne rosyjskie podejście do eksploracji kosmosu i chwalę Amerykanów, to są ku temu dobre powody.
W 2010 roku stan amerykańskiego programu eksploracji kosmosu był godny ubolewania: program promu kosmicznego miał już zostać zamknięty, starty Aresa pokazały całkowitą porażkę pomysłów Constellation, wszystkie amerykańskie gazety i czasopisma pisały o „rosyjskim niewolnictwie kosmicznym”. dla Stanów Zjednoczonych.
Ale w ciągu ostatnich 5 lat amerykański przemysł kosmiczny przegrupował się, otrzymał niezbędne fundusze i nauczył się żyć w nowych, trudniejszych warunkach.
Czy rosyjska kosmonautyka będzie mogła się tym pochwalić za 5 lat, zwłaszcza na tle tego, że ten rok przynosi nam złe wieści o zamknięciu programów wyrzutni Rus-M i PPTS, odroczeniu startu kosmodromu Wostoczny i całkowita redukcja finansowania Roskosmosu?
Poczekaj i zobacz. Trzymam za palce krzyżykiem.
informacja