Venäjän avaruus

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Uskotaan, että tekniikat kehittyvät aina vähitellen, yksinkertaisesta monimutkaiseksi, kiviveitsestä teräkseen - ja vasta sitten ohjelmoituun jyrsinkoneeseen. Avaruusrakettien kohtalo ei kuitenkaan osoittautunut niin suoraviivaiseksi. Yksinkertaisten, luotettavien yksivaiheisten ohjusten luominen oli pitkään suunnittelijoiden ulottumattomissa.

Tarvittiin ratkaisuja, joita materiaalitieteilijät tai koneinsinöörit eivät pystyneet tarjoamaan. Tähän asti kantoraketit ovat olleet monivaiheisia ja kertakäyttöisiä: uskomattoman monimutkaista ja kallista järjestelmää käytetään muutaman minuutin ajan ja sitten heitetään pois.

”Kuvittele, että ennen jokaista lentoa kokoaisit uuden koneen: yhdistäisit rungon siipiin, vedät sähkökaapelit, asennat moottorit ja laskeutumisen jälkeen lähetät sen romupaikalle… Et voi lentää niin pitkälle.”, State Missile Centerin kehittäjät kertoivat meille. Makeeva. "Mutta juuri näin teemme joka kerta, kun lähetämme rahtia kiertoradalle. Tietenkin ihannetapauksessa kaikki haluaisivat luotettavan yksivaiheisen "koneen", joka ei vaadi kokoonpanoa, vaan saapuu kosmodromille tankattuna ja laukaistuna. Ja sitten se tulee takaisin ja alkaa uudestaan - ja uudestaan "…

Puolivälissä

Yleisesti ottaen raketti yritti selviytyä yhdellä vaiheella varhaisimmista projekteista. Tsiolkovskyn alkuperäisissä luonnoksissa juuri sellaisia rakenteita esiintyy. Hän hylkäsi tämän idean vasta myöhemmin tajuten, että 1900-luvun alun tekniikat eivät mahdollistaneet tämän yksinkertaisen ja tyylikkään ratkaisun toteuttamista. Kiinnostus yksivaiheisiin lentokoneisiin heräsi jälleen 1960-luvulla, ja tällaisia hankkeita kehiteltiin molemmin puolin valtamerta. 1970-luvulle mennessä Yhdysvallat kehitteli yksivaiheisia raketteja SASSTO, Phoenix ja useita ratkaisuja, jotka perustuivat S-IVB:hen, Saturn V -kantoraketin kolmanteen vaiheeseen, joka toimitti astronautit kuuhun.

CORONAn on tultava robotiksi ja saatava älykäs ohjelmisto ohjausjärjestelmää varten. Ohjelmisto pystyy päivittämään suoraan lennon aikana, ja hätätilanteessa se "palautuu" automaattisesti vakaaseen varaversioon.

"Tällainen vaihtoehto ei poikkeaisi kantokyvyltään, moottorit eivät riittäneet tähän, mutta se olisi silti yksivaiheinen, kelpaava lentämään kiertoradalle", insinöörit jatkavat. "Tietenkin taloudellisesti se olisi täysin perusteetonta." Vasta viime vuosikymmeninä on ilmestynyt komposiitteja ja niiden kanssa työskentelyyn tarkoitettuja tekniikoita, jotka mahdollistavat kantolaitteen tekemisen yksivaiheiseksi ja lisäksi uudelleen käytettäväksi. Tällaisen "tiedeintensiivisen" raketin hinta on korkeampi kuin perinteisen suunnittelun, mutta se "hajautuu" useisiin laukaisuihin, joten laukaisuhinta on huomattavasti tavallista tasoa alhaisempi.

Median uudelleenkäytettävyys on nykyään kehittäjien päätavoite. Avaruussukkula- ja Energia-Buran-järjestelmät olivat osittain uudelleenkäytettäviä. Ensimmäisen vaiheen toistuvaa käyttöä testataan SpaceX Falcon 9 -raketeille. SpaceX on tehnyt jo useita onnistuneita laskeutumisia ja maaliskuun lopussa yritetään laukaista uudelleen yksi avaruuteen lennistä. "Mielestämme tämä lähestymistapa voi vain horjuttaa ajatusta todellisen uudelleenkäytettävän median luomisesta", Makeev Design Bureau huomauttaa. "Jokaisen lennon jälkeen on vielä selvitettävä tällainen raketti, asennettava liitännät ja uudet kertakäyttöiset komponentit… ja olemme takaisin lähtöpisteessämme."

Täysin uudelleenkäytettävät mediat ovat edelleen vain projektien muodossa - amerikkalaisen Blue Originin New Shepardia lukuun ottamatta. Toistaiseksi miehitetyllä kapselilla varustettu raketti on suunniteltu vain avaruusmatkailijoiden suborbitaalisille lennoille, mutta suurin osa tässä tapauksessa löydetyistä ratkaisuista on helposti skaalattavissa vakavampaan kiertoradan kantajaan. Yrityksen edustajat eivät piilota suunnitelmiaan sellaisen vaihtoehdon luomiseksi, jota varten kehitetään jo tehokkaita moottoreita BE-3 ja BE-4. "Jokaisella suborbitaalilennolla lähestymme kiertorataa", Blue Origin vakuutti. Mutta niiden lupaava kantaja, New Glenn, ei myöskään ole täysin uudelleenkäytettävissä: vain ensimmäinen lohko, joka on luotu jo testatun New Shepardin suunnittelun perusteella, tulisi käyttää uudelleen.

Materiaalin kestävyys

Täysin uudelleenkäytettäviin ja yksivaiheisiin raketteihin tarvittavia CFRP-materiaaleja on käytetty ilmailuteknologiassa 1990-luvulta lähtien. Samoihin vuosiin McDonnell Douglasin insinöörit aloittivat nopeasti Delta Clipper (DC-X) -projektin toteuttamisen, ja nykyään he voivat ylpeillä valmiista ja lentävästä hiilikuitutelineestä. Valitettavasti Lockheed Martinin painostuksesta työ DC-X:n parissa keskeytettiin, teknologiat siirrettiin NASA:lle, missä niitä yritettiin käyttää epäonnistuneeseen VentureStar-projektiin, jonka jälkeen monet tähän aiheeseen osallistuneet insinöörit siirtyivät Blue Originiin. ja Boeing otti itse yrityksen haltuunsa.

Samalla 1990-luvulla venäläinen SRC Makeev kiinnostui tästä tehtävästä. Sen jälkeen vuosien aikana KORONA-projekti ("Avaruusraketti, yksivaiheinen [avaruusajoneuvojen] kantaja") on käynyt läpi huomattavan kehityksen, ja väliversiot osoittavat, kuinka suunnittelusta ja asettelusta tuli yhä yksinkertaisempi ja täydellisempi. Vähitellen kehittäjät hylkäsivät monimutkaiset elementit - kuten siivet tai ulkoiset polttoainesäiliöt - ja päätyivät siihen, että rungon päämateriaalin tulisi olla hiilikuitua. Ulkonäön myötä sekä paino että kantokyky muuttuivat. "Parhaillakin nykyaikaisilla materiaaleilla on mahdotonta rakentaa alle 60-70 tonnia painavaa yksivaiheista rakettia, kun taas sen hyötykuorma on hyvin pieni", sanoo yksi kehittäjistä. - Mutta lähtömassan kasvaessa rakenteen osuus (tiettyyn rajaan asti) on yhä pienempi ja sen käyttäminen on entistä kannattavampaa. Orbitaaliraketille tämä optimi on noin 160-170 tonnia, tästä mittakaavasta alkaen sen käyttö voi olla jo perusteltua."

KORONA-projektin uusimmassa versiossa laukaisumassa on vielä suurempi ja lähestyy 300 tonnia.. Näin suuri yksivaiheinen raketti vaatii erittäin tehokkaan vedyllä ja hapella toimivan nestemäisen polttoaineen suihkumoottorin käyttöä. Toisin kuin eri vaiheissa olevien moottoreiden, tällaisen nestemäisen polttoaineen rakettimoottorin on "pysyttävä" toimimaan hyvin erilaisissa olosuhteissa ja eri korkeuksissa, mukaan lukien nousu ja lento ilmakehän ulkopuolella. "Perinteinen nestemäinen polttoainemoottori Laval-suuttimilla on tehokas vain tietyillä korkeusalueilla", Makeyevkan suunnittelijat selittävät, "siksi tulimme tarpeeseen käyttää kiilailmarakettimoottoria." Tällaisten moottoreiden kaasusuihku säätyy automaattisesti paineeseen "yli laidan", ja ne pysyvät tehokkaina sekä pinnalla että korkealla stratosfäärissä.

Hyötykuormakontti

Toistaiseksi maailmassa ei ole tämän tyyppistä toimivaa moottoria, vaikka niitä on käsitelty ja käsitellään sekä maassamme että USA:ssa. 1960-luvulla Rocketdyne-insinöörit testasivat tällaisia moottoreita telineellä, mutta niitä ei asennettu ohjuksiin. CROWN tulee varustaa modulaarisella versiolla, jossa kiilailmasuutin on ainoa elementti, jolla ei vielä ole prototyyppiä ja jota ei ole testattu. Venäjällä on myös kaikki teknologiat komposiittiosien tuotantoon - niitä on kehitetty ja niitä käytetään menestyksekkäästi esimerkiksi All-Russian Institute of Aviation Materialsissa (VIAM) ja JSC Kompozitissa.

Pystysuuntainen istuvuus

Ilmakehässä lentäen KORONA-hiilikuituinen kantava rakenne päällystetään VIAM:n Buraneille kehittämillä lämpösuojalaatoilla, joita on sen jälkeen paranneltu huomattavasti."Rakettimme pääasiallinen lämpökuorma keskittyy sen" nokkaan ", jossa käytetään korkean lämpötilan lämpösuojaelementtejä", suunnittelijat selittävät. - Tässä tapauksessa raketin laajenevat sivut ovat halkaisijaltaan suurempia ja ovat terävässä kulmassa ilmavirtaan nähden. Niiden lämpökuorma on pienempi, mikä mahdollistaa kevyempien materiaalien käytön. Tuloksena olemme säästäneet yli 1,5 tonnia, korkean lämpötilan osan massa ei ylitä 6 % lämpösuojan kokonaismassasta. Vertailun vuoksi sukkuloissa sen osuus on yli 20%.

Median sulavalinjainen kapeneva muotoilu on tulosta lukemattomista yrityksen ja erehdyksistä. Kehittäjien mukaan, jos otat vain mahdollisen uudelleenkäytettävän yksivaiheisen kantoaallon keskeiset ominaisuudet, sinun on harkittava noin 16 000 yhdistelmää niistä. Suunnittelijat arvostivat satoja niistä projektin parissa. "Päätimme hylätä siivet, kuten Buranissa tai avaruussukkulassa", he kertovat. - Yleisesti ottaen yläilmakehässä ne vain häiritsevät avaruusaluksia. Tällaiset alukset saapuvat ilmakehään hyperääninopeudella, joka ei ole parempi kuin "rauta", ja vain yliääninopeudella ne siirtyvät vaakalentoihin ja voivat luottaa kunnolla siipien aerodynamiikkaan.

Aksisymmetrinen kartiomuoto ei ainoastaan mahdollista helpompaa lämpösuojausta, vaan sillä on myös hyvä aerodynamiikka ajettaessa erittäin suurilla nopeuksilla. Jo ilmakehän ylemmissä kerroksissa raketti saa noston, jonka ansiosta se ei vain voi jarruttaa täällä, vaan myös liikkua. Tämä puolestaan mahdollistaa tarvittavien liikkeiden suorittamisen korkealla, suuntaamalla laskeutumispaikkaan, ja tulevalla lennolla tarvitsee vain suorittaa jarrutus loppuun, korjata kurssi ja kääntyä perään heikon vaihtotyön avulla. moottorit.

Muista sekä Falcon 9 että New Shepard: pystysuorassa laskeutumisessa ei ole nykyään mitään mahdotonta tai edes epätavallista. Samalla se mahdollistaa selviytymisen huomattavasti pienemmillä voimilla kiitotien rakentamisen ja käytön aikana - kiitotien, jolle samat Sukkulat ja Buran laskeutuivat, piti olla useita kilometrejä pitkä, jotta ajoneuvoa voitaisiin jarruttaa satojen kilometrien tunnissa. "CROWN voi periaatteessa jopa nousta offshore-alustalta ja laskeutua sille", lisää yksi projektin kirjoittajista, "lopullinen laskeutumistarkkuus on noin 10 m, raketti lasketaan sisään vedettäville pneumaattisille iskunvaimentimille. Jäljelle jää vain diagnostiikka, tankkaus, uuden hyötykuorman asettaminen - ja voit jatkaa lentämistä.

KORONAa toteutetaan edelleen rahoituksen puuttuessa, joten Makeev Design Bureaun kehittäjät pääsivät vasta suunnitteluluonnoksen viimeisiin vaiheisiin.”Olemme läpäisseet tämän vaiheen lähes kokonaan ja täysin itsenäisesti, ilman ulkopuolista tukea. Olemme jo tehneet kaiken, mitä olisi voitu tehdä, suunnittelijat kertovat. – Tiedämme mitä, missä ja milloin pitäisi tuottaa. Nyt on siirryttävä avainyksiköiden käytännön suunnitteluun, tuotantoon ja kehittämiseen, mikä vaatii rahaa, joten nyt kaikki riippuu heistä."

Myöhästynyt lähtö

CFRP-raketti odottaa vain laajamittaista laukaisua; saatuaan tarvittavan tuen suunnittelijat ovat valmiita aloittamaan lentokokeet kuuden vuoden kuluttua ja seitsemän tai kahdeksan vuoden kuluttua - aloittamaan ensimmäisten ohjusten kokeellisen toiminnan. He arvioivat, että tämä vaatii alle 2 miljardia dollaria - ei paljon rakettitiedettä mitattuna. Samaan aikaan sijoitetun pääoman tuottoa voidaan odottaa seitsemän vuoden raketin käytön jälkeen, jos kaupallisten laukaisujen määrä pysyy nykyisellä tasolla, tai jopa 1,5 vuodessa - jos se kasvaa ennustettuun tahtiin.

Lisäksi ohjailumoottoreiden, kohtaamis- ja telakointilaitteiden läsnäolo raketissa antaa mahdollisuuden luottaa monimutkaisiin monilaukaisujärjestelmiin. Kun käytät polttoainetta ei laskeutumiseen, vaan hyötykuorman lisäämiseen, voit nostaa sen yli 11 tonnin massaksi. Sitten CROWN telakoituu toiseen, "tankkeriin", joka täyttää säiliönsä paluuta varten tarvittavalla lisäpolttoaineella. Mutta silti, paljon tärkeämpää on uudelleenkäytettävyys, joka vapauttaa meidät ensimmäistä kertaa tarpeesta kerätä mediaa ennen jokaista julkaisua - ja menettää se jokaisen lanseerauksen jälkeen. Vain tällainen lähestymistapa voi varmistaa vakaan kaksisuuntaisen liikennevirran luomisen Maan ja kiertoradan välille ja samalla aloittaa todellisen, aktiivisen, laajamittaisen Maan lähiavaruuden hyödyntämisen.

Sillä välin CROWN pysyy hämärässä, työ New Shepardin parissa jatkuu. Myös vastaava japanilainen projekti RVT on kehitteillä. Venäläisillä kehittäjillä ei ehkä yksinkertaisesti ole tarpeeksi tukea läpimurtoon. Jos sinulla on pari miljardia ylimääräistä, tämä on paljon parempi sijoitus kuin jopa maailman suurin ja ylellisin huvijahti.