Man tror att tekniken alltid utvecklas gradvis, från enkel till komplex, från stenkniv till stål - och först då till en programmerad fräsmaskin. Rymdraketens öde visade sig dock vara mindre okomplicerat. Skapandet av enkla, pålitliga enstegsmissiler under en lång tid förblev otillgänglig för designers. Det krävdes lösningar som varken materialvetare eller motoringenjörer kunde erbjuda. Fram till nu förblir lanseringsfordon flerstegs och engångs: ett otroligt komplext och dyrt system används i några minuter, varefter det kastas
”Tänk dig att innan varje flygning skulle du montera ett nytt plan: du skulle ansluta flygkroppen till vingarna, lägga elkablar, installera motorerna och efter landning skulle du skicka det till en deponi … Du kommer inte att flyga långt som det, berättade utvecklarna av State Missile Center. Makeeva.”Men det är precis vad vi gör varje gång vi skickar last i omloppsbana. Naturligtvis skulle helst alla vilja ha en pålitlig enstegs "maskin" som inte kräver montering, utan anländer till kosmodromet, tankas och lanseras. Och sedan kommer det tillbaka och börjar igen - och igen "…
På halvvägs
I stort sett försökte raketerna att klara sig med en etapp från de tidigaste projekten. I de inledande skisserna av Tsiolkovskij dyker just sådana strukturer upp. Han övergav denna idé först senare och insåg att tekniken från början av 1900 -talet inte tillät att förverkliga denna enkla och eleganta lösning. Intresset för enstegsbärare uppstod igen på 1960-talet, och sådana projekt höll på att utarbetas på båda sidor av havet. Vid 1970-talet arbetade USA med enstegsraketer SASSTO, Phoenix och flera lösningar baserade på S-IVB, den tredje etappen i Saturn V-lanseringsfordonet, som levererade astronauter till månen.
"Ett sådant alternativ skulle inte skilja sig åt i bärförmåga, motorerna var inte tillräckligt bra för detta - men ändå skulle det vara ett steg, ganska kapabelt att flyga in i en bana", fortsätter ingenjörerna. "Naturligtvis, ekonomiskt skulle det vara helt omotiverat." Kompositer och teknik för att arbeta med dem har bara dykt upp under de senaste decennierna, vilket gör det möjligt att göra bäraren i ett steg och dessutom återanvändbar. Kostnaden för en sådan "vetenskapsintensiv" raket kommer att vara högre än för en traditionell design, men den kommer att "spridas" över många lanseringar, så att lanseringspriset blir mycket lägre än den vanliga nivån.
Det är mediernas återanvändbarhet som är huvudmålet för utvecklare idag. Rymdfärjan och Energia-Buran-systemen var delvis återanvändbara. Den upprepade användningen av den första etappen testas för SpaceX Falcon 9. Raketer SpaceX har redan gjort flera framgångsrika landningar, och i slutet av mars kommer de att försöka starta en av etapperna som flög ut i rymden igen. "Enligt vår uppfattning kan detta tillvägagångssätt bara misskreditera tanken på att skapa ett verkligt återanvändbart media", konstaterar Makeev Design Bureau. "Du måste fortfarande reda ut en sådan raket efter varje flygning, installera anslutningar och nya engångskomponenter … och vi är tillbaka där vi började."
Fullt återanvändbara medier finns fortfarande bara i form av projekt - med undantag för New Shepard från det amerikanska företaget Blue Origin. Hittills är raketen med en bemannad kapsel endast avsedd för rymdturisters suborbitalflygningar, men de flesta lösningar som finns i detta fall kan enkelt skalas för en mer seriös orbitalbärare. Företrädare för företaget döljer inte sina planer på att skapa ett sådant alternativ, för vilka kraftfulla motorer BE-3 och BE-4 redan utvecklas. "För varje suborbitalflyg närmar vi oss en bana", försäkrade Blue Origin. Men deras lovande bärare New Glenn kommer inte heller att återanvändas fullt ut: endast det första blocket, skapat på grundval av den redan testade New Shepard -designen, bör återanvändas.
Materialbeständighet
De CFRP-material som krävs för fullt återanvändbara och enstegsraketer har använts inom rymdteknik sedan 1990-talet. Under samma år började ingenjörer på McDonnell Douglas snabbt implementera Delta Clipper (DC-X) -projektet, och idag kunde de mycket väl skryta med en färdig och flygande kolfiberbärare. Tyvärr, under tryck från Lockheed Martin, avbröts arbetet med DC-X, teknikerna överfördes till NASA, där de försökte använda dem för det misslyckade VentureStar-projektet, varefter många ingenjörer som var involverade i detta ämne arbetade på Blue Origin, och företaget själv togs över av Boeing.
På samma 1990 -tal blev den ryska SRC Makeev intresserad av denna uppgift. Sedan dess har KORONA-projektet ("rymdraket, enstegsbärare av [rymd] fordon") genomgått en märkbar utveckling, och mellanversioner visar hur design och layout blev mer och mer enkel och perfekt. Utvecklarna övergav gradvis komplexa element - som vingar eller externa bränsletankar - och kom till insikt att huvudmaterialet borde vara kolfiber. Tillsammans med utseendet förändrades både vikten och bärförmågan. "Med hjälp av även de bästa moderna materialen är det omöjligt att bygga en enstegsraket som väger mindre än 60-70 ton, medan dess nyttolast blir mycket liten", säger en av utvecklarna. - Men när startmassan växer har strukturen (upp till en viss gräns) en allt mindre andel, och det blir mer och mer lönsamt att använda den. För en orbitalraket är detta optimalt cirka 160-170 ton, från denna skala kan dess användning redan vara motiverad."
I den senaste versionen av KORONA-projektet är lanseringsmassan ännu högre och närmar sig 300 ton. En sådan stor enstegsraket kräver användning av en mycket effektiv flytande drivmotor som drivs med väte och syre. Till skillnad från motorer i separata steg måste en sådan vätskedrivande raketmotor kunna arbeta under mycket olika förhållanden och på olika höjder, inklusive start och flygning utanför atmosfären. "En konventionell vätskedrivande motor med Laval-munstycken fungerar bara vid vissa höjdområden", förklarar Makeevka-konstruktörerna, "därför kom vi till behovet av att använda en kil-luftraketmotor." Gasstrålen i sådana motorer anpassar sig till trycket "överbord", och de bibehåller effektiviteten både vid ytan och högt i stratosfären.
Hittills finns det ingen fungerande motor av denna typ i världen, även om de har varit och hanteras både i vårt land och i USA. På 1960 -talet testade Rocketdyne -ingenjörer sådana motorer på ett stativ, men de kom inte till installation på missiler. CROWN ska vara utrustad med en modulversion, där kil-luftmunstycket är det enda elementet som ännu inte har en prototyp och inte har testats. Det finns också all teknik för tillverkning av sammansatta delar i Ryssland - de har utvecklats och används framgångsrikt, till exempel vid All -Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) och vid OJSC”Kompozit”.
Vertikal passform
När du flyger i atmosfären kommer CORONAs kolfiberförstärkta plaststruktur att täckas med värmeskyddande plattor som utvecklats av VIAM för Burans och sedan dess har märkbart förbättrats.”Den viktigaste värmebelastningen på vår raket är koncentrerad till dess” näsa”, där termiska skyddselement med hög temperatur används, - förklarar designerna. - I det här fallet har rakets expanderande sidor en större diameter och har en spetsig vinkel mot luftflödet. Den termiska belastningen på dem är mindre, vilket möjliggör användning av lättare material. Som ett resultat har vi sparat mer än 1,5 ton. Högtemperaturdelens massa överstiger inte 6% av värmeskyddets totala massa. Som jämförelse står det för mer än 20% av bussarna."
Medias snygga koniska design är resultatet av otaliga försök och misstag. Enligt utvecklarna, om du bara tar nyckelegenskaperna för en eventuell återanvändbar enstegsbärare, måste du överväga cirka 16 000 kombinationer av dem. Hundratals av dem uppskattades av formgivarna när de arbetade med projektet. "Vi bestämde oss för att överge vingarna, som på Buran eller rymdfärjan", säger de. - I stort sett stör de i den övre atmosfären bara rymdfarkoster. Sådana fartyg kommer in i atmosfären med hypersonisk hastighet inte bättre än ett "järn", och bara med supersonisk hastighet går de över till horisontell flygning och kan korrekt förlita sig på vingarnas aerodynamik."
Den axelsymmetriska konformen möjliggör inte bara enklare termiskt skydd, utan har också god aerodynamik vid körning i mycket höga hastigheter. Redan i atmosfärens övre lager får raketen ett lyft, vilket gör att den inte bara kan bromsa här utan också manövrera. Detta i sin tur gör det möjligt att göra nödvändiga manövrer på hög höjd, på väg mot landningsplatsen, och i framtida flygning återstår det bara att slutföra bromsningen, korrigera kursen och svänga bakåt med svaga manövreringsmotorer.
Minns både Falcon 9 och New Shepard: det finns inget omöjligt eller till och med ovanligt i vertikal landning idag. Samtidigt gör det det möjligt att klara sig med betydligt färre krafter under banans konstruktion och drift - banan som samma Shuttles och Buran landade på måste ha en längd på flera kilometer för att kunna bromsa fordonet vid en hastighet på hundratals kilometer i timmen. "KRONEN kan i princip till och med lyfta från en offshoreplattform och landa på den", tillägger en av projektförfattarna, "den slutliga landningsnoggrannheten kommer att vara cirka 10 m, raketen sänks ner på infällbara pneumatiska stötdämpare.” Det återstår bara att utföra diagnostik, tanka, placera en ny nyttolast - och du kan flyga igen.
KORONA implementeras fortfarande i avsaknad av finansiering, så utvecklarna av Makeev Design Bureau lyckades bara komma till slutstadierna av utkastet till design.”Vi har passerat denna etapp nästan helt och helt självständigt, utan externt stöd. Vi har redan gjort allt som kan göras, säger designerna. - Vi vet vad, var och när som ska produceras. Nu måste vi gå vidare till den praktiska designen, produktionen och utvecklingen av viktiga enheter, och detta kräver pengar, så nu beror allt på dem."
Försenad start
CFRP -raketen förväntar sig bara en storskalig uppskjutning; efter mottagande av nödvändigt stöd är konstruktörerna redo att påbörja flygprov om sex år och om sju till åtta år - för att påbörja experimentell drift av de första missilerna. De uppskattar att detta kräver mindre än 2 miljarder dollar - inte mycket enligt raketstandarder. Samtidigt kan en avkastning på investeringen förväntas efter sju års användning av raketen, om antalet kommersiella sjösättningar förblir på den nuvarande nivån, eller till och med om 1,5 år - om den växer med de förutsagda taktarna.
Närvaron av manövrerande motorer, möten och dockningsanläggningar på raketen gör det också möjligt att räkna med komplexa flerlanseringssystem. Efter att ha använt bränsle inte för landning, utan för att slutföra nyttolasten, är det möjligt att ta det till en massa på mer än 11 ton. CROWN lägger sedan till med det andra "tankfartyget", som fyller sina tankar med ytterligare bränsle som behövs för returen. Men ändå är mycket viktigare återanvändbarhet, som för första gången kommer att befria oss från behovet av att samla media före varje lansering - och förlora det efter varje lansering. Endast ett sådant tillvägagångssätt kan säkerställa skapandet av ett stabilt tvåvägs trafikflöde mellan jorden och omloppsbanan, och samtidigt början på ett verkligt, aktivt, storskaligt utnyttjande av rymden nära jorden.
Under tiden förblir CROWN i limbo, arbetet med New Shepard fortsätter. Ett liknande japanskt projekt RVT utvecklas också. Ryska utvecklare kanske helt enkelt inte har tillräckligt med stöd för ett genombrott. Om du har ett par miljarder kvar är detta en mycket bättre investering än till och med den största och mest lyxiga yachten i världen.
