Idag känner många av oss, eller åtminstone har hört talas om, det privata företaget SpaceX: s familj av delvis återanvändbara skjutbilar. Tack vare företagets framgångar, liksom personligheten hos grundaren, Elon Musk, som själv ofta blir hjälten för nyhetsflöden, lämnar Falcon 9 -raketer, SpaceX och rymdflygningar i allmänhet inte sidorna i den internationella pressen. Samtidigt hade och har fortfarande Ryssland sin egen utveckling och inte mindre intressanta projekt för återanvändbara missiler, om vilka mycket mindre är känt. Svaret på frågan varför detta händer är uppenbart. Ilona Masks raketer flyger regelbundet ut i rymden, och återanvändbara och delvis återanvändbara ryska raketer är hittills bara projekt, teckningar och vackra bilder i presentationer.
Rymden lanseras idag
Nuförtiden kan vi lugnt säga att Roskosmos någon gång missade ämnet återanvändbara missiler, med utvecklingen och projekten som låg flera år före andra länder. Alla projekt med ryska återanvändbara missiler slutfördes aldrig, genomfördes inte i metall. Till exempel har det återanvändbara enstegs Korona-lanseringsfordonet, utvecklat från 1992 till 2012, aldrig kommit till sin logiska slutsats. Vi ser redan resultatet av denna felräkning i utvecklingen. Ryssland har allvarligt tappat sina positioner på marknaden för kommersiella rymdlanseringar med tillkomsten av den amerikanska Falcon 9 -raketen och dess varianter, och är också allvarligt sämre när det gäller antalet rymdskjutningar som görs per år. I slutet av 2018 rapporterade Roscosmos om 20 rymduppskjutningar (en misslyckad), medan i april 2018, i en intervju med TASS, sa chefen för Roscosmos, Igor Komarov, att det är planerat att genomföra 30 rymduppskjutningar av slutet av året. Ledaren i slutet av förra året var Kina, som genomförde 39 rymdskjutningar (en misslyckades), på andra plats var USA med 31 rymdskjutningar (inga misslyckade).
På tal om moderna rymdflygningar är det nödvändigt att förstå att i den totala kostnaden för att skjuta upp ett modernt uppskjutningsfordon (LV) är den viktigaste utgiftsposten själva raketen. Dess karosseri, bränsletankar, motorer - allt detta flyger iväg för evigt, brinner upp i atmosfärens täta lager, det är klart att sådana oåterkalleliga kostnader gör varje lansering av ett uppskjutningsfordon till ett mycket dyrt nöje. Inte underhåll av rymdportar, inte bränsle, inte monteringsarbete före sjösättning, utan priset på sjösättningsfordonet i sig, är huvudkostnaden. En mycket komplex teknisk produkt av konstruktionstänkande används i några minuter, varefter den förstörs fullständigt. Detta gäller naturligtvis för engångsraketer. Tanken med att använda återvinningsbara startbilar föreslår sig själv här, som en verklig chans att sänka kostnaden för varje rymdlansering. I det här fallet gör till och med avkastningen av endast det första steget kostnaden för varje lansering lägre.
Landning av den första etappen av Falcon 9 -startbilen som kan återlämnas
Det är ett liknande system som implementerades av den amerikanska miljardären Elon Musk, vilket gör den första etappen av det tunga uppskjutningsfordonet återvinningsbart. Medan den första etappen av dessa missiler är delvis återvinningsbar, slutar vissa landningsförsök med misslyckande, men antalet misslyckade landningar sjönk till nästan noll 2017 och 2018. Till exempel, förra året var det bara ett misslyckande för varje tio framgångsrika landningar i den första etappen. Samtidigt öppnade SpaceX också det nya året med en framgångsrik landning av den första etappen. Den 11 januari 2019 landade den första etappen av Falcon 9 -raketen framgångsrikt på en flytande plattform, dessutom återanvändes den och tidigare lanserade Telestar 18V kommunikationssatellit i omloppsbana i september 2018. Numera är sådana första steg som kan återlämnas redan ett slutgiltigt arbete. Men när företrädarna för det amerikanska privata rymdföretaget bara pratade om sitt projekt tvivlade många experter på möjligheten att lyckas med det.
I verkligheten i dag kan den första etappen av en tungklassig Falcon 9-raket i vissa lanseringar användas i en återinträdesversion. Om man tar den andra etappen av raketen till en tillräcklig höjd, separerar den från den på en höjd av cirka 70 kilometer, avlastning sker cirka 2,5 minuter efter uppskjutningen av uppskjutningsfordonet (tiden beror på de specifika uppskjutningsuppgifterna). Efter separering från LV utför den första etappen med det installerade inställningskontrollsystemet en liten manöver, undviker flamman från de andra etappmotorerna och vrider motorerna framåt som förberedelse för de tre huvudbromsmanövrerna. Vid landning använder den första etappen sina egna motorer för bromsning. Det är värt att notera att den återvända scenen inför sina egna begränsningar för lanseringen. Till exempel reduceras den maximala nyttolasten för en Falcon 9-raket med 30-40 procent. Detta beror på behovet av att reservera bränsle för bromsning och efterföljande landning, liksom den extra vikten för den installerade landningsutrustningen (gitterroder, landningsstöd, styrsystemelement, etc.).
Amerikanernas framgångar och stora serier av framgångsrika lanseringar gick inte obemärkt förbi i världen, vilket framkallade en rad uttalanden om starten av projekt med delvis återanvändning av raketer, inklusive återkomst av sidostimuleringar och första etappen tillbaka till jorden. Representanter för Roscosmos talade också om detta resultat. Företaget började prata om att arbetet med att skapa återanvändbara missiler i Ryssland skulle återupptas i början av 2017.
Lanseringsfordon "Korona" - allmän vy
Återanvändbar Korona -raket och tidigare projekt
Det är värt att notera att idén om återanvändbara missiler studerades redan i Sovjetunionen. Efter landets kollaps försvann inte detta ämne; arbetet i denna riktning fortsatte. De började mycket tidigare än Elon Musk bara pratade om det. Till exempel skulle blocken i den första etappen av den supertunga sovjetraketen Energia returneras, detta var nödvändigt av ekonomiska skäl och för genomförandet av resursen för RD-170-motorerna, avsedda för minst 10 flygningar.
Mindre känt är projektet för Rossiyanka -lanseringsfordonet, som utvecklades av specialisterna från Academician V. P. Makeev State Rocket Center. Detta företag är främst känt för sin militära utveckling. Till exempel var det här som majoriteten av inhemska ballistiska missiler avsedda för beväpning av ubåtar skapades, inklusive ballistiska missiler R-29RMU Sineva som för närvarande är i tjänst med den ryska ubåtflottan.
Enligt projektet var Rossiyanka ett tvåstegs lanseringsfordon, vars första etapp var återanvändbar. I huvudsak samma idé som SpaceX -ingenjörerna, men några år tidigare. Raketen var tänkt att skjuta upp 21,5 ton last i en låg referensbana - indikatorer nära Falcon 9 -raketen. Återgången av den första etappen skulle ske längs en ballistisk bana på grund av att standardmotorerna åter inkluderades. Om det behövs kan rakets bärighet ökas till 35 ton. Den 12 december presenterade Makeyev SRC sin nya raket vid Roscosmos-tävlingen för utveckling av återanvändbara startbilar, men ordern för att skapa sådana enheter gick till konkurrenterna i Khrunichev State Research and Production Space Center med Baikal-Angara projekt. Mest troligt skulle specialisterna på Makeev SRC ha haft kompetensen att genomföra sitt projekt, men utan tillräcklig uppmärksamhet och finansiering var det omöjligt.
Baikal-Angara-projektet var ännu mer ambitiöst; det var en flygplanversion av första etappens återkomst till jorden. Det var planerat att efter att ha nått den inställda höjden på facket, skulle en speciell vinge öppna i det första steget och sedan flyga längs ett flygplan med en landning på ett konventionellt flygfält med landningsstället utökat. Ett sådant system i sig är emellertid inte bara mycket komplext utan också dyrt. Hennes obestridliga meriter inkluderade det faktum att hon kunde återvända från ett större avstånd. Tyvärr blev projektet aldrig realiserat, det minns fortfarande ibland, men inget mer.
Nu tänker världen på fullt återanvändbara startbilar. Elon Musk tillkännagav Big Falcon Rocket -projektet. En sådan raket bör få en tvåstegsarkitektur som inte är karakteristisk för modern kosmonautik; dess andra etapp är en enda helhet med en rymdfarkost, som antingen kan vara last eller passagerare. Det är planerat att den första etappen av Superheavy kommer att återvända till jorden, genom att göra en vertikal landning vid kosmodromet med hjälp av dess motorer, denna teknik har redan utvecklats perfekt av SpaceX -ingenjörer. Den andra etappen av raketen, tillsammans med en rymdfarkost (i själva verket är detta en rymdfarkost för olika ändamål), som fick namnet Starship, kommer in i jordens bana. Den andra etappen kommer också att ha tillräckligt med bränsle kvar för att retardera i atmosfärens täta lager efter att ha genomfört ett rymduppdrag och landat på en offshoreplattform.
Det är värt att notera att SpaceX inte heller har en handflata i en sådan idé. I Ryssland har projektet med ett återanvändningsbart lanseringsfordon utvecklats sedan 1990 -talet. Och igen, de arbetade med projektet vid State Rocket Center uppkallat efter akademiker V. P. Makeev. Projektet med den återanvändbara ryska raketen har det vackra namnet "Korona". Roscosmos återkallade detta projekt 2017, varefter olika kommentarer följde om återupptagandet av detta projekt. Till exempel publicerade Rossiyskaya Gazeta i januari 2018 nyheten om att Ryssland har återupptagit arbetet med en återanvändbar rymdraket. Det handlade om Korona lanseringsfordon.
Till skillnad från den amerikanska Falcon-9-raketen har den ryska korona inga avtagbara etapper; det är faktiskt en enda mjuk start- och landningsfartyg. Enligt Vladimir Degtyar, generalkonstruktör för Makeyev SRC, bör detta projekt öppna vägen för genomförande av långväga interplanetära bemannade flygningar. Det är planerat att det huvudsakliga konstruktionsmaterialet i den nya ryska raketen kommer att vara kolfiber. Samtidigt är "Korona" utformad för att skjuta upp rymdfarkoster till jordbanor med en höjd av 200 till 500 kilometer. Lanseringsfordonets massa är cirka 300 ton. Massan på utmatningslasten är från 7 till 12 ton. Starten och landningen av "Korona" bör ske med hjälp av förenklade uppskjutningsanläggningar, utöver detta utarbetas alternativet att skjuta upp en återanvändbar raket från offshore -plattformar. Det nya lanseringsfordonet kommer att kunna använda samma plattform för start och landning. Raketberedningstiden för nästa uppskjutning är bara ungefär en dag.
Det bör noteras att kolfibermaterial som krävs för att skapa enstegs och återanvändbara raketer har använts inom rymdteknik sedan 90-talet av förra seklet. Sedan början av 1990-talet har Korona-projektet kommit långt i utvecklingen och har utvecklats avsevärt, det behöver inte sägas att det inledningsvis handlade om en engångsraket. Samtidigt, under utvecklingsprocessen, blev designen av den framtida raketen både enklare och mer perfekt. Gradvis övergav rakets utvecklare användningen av vingar och externa bränsletankar, efter att ha förstått att huvudmaterialet i den återanvändbara raketkroppen skulle vara kolfiber.
I den senaste versionen av den återanvändbara Korona-raketen hittills närmar sig dess massa 280-290 ton. Ett så stort enstegs lanseringsfordon kräver en mycket effektiv raketmotor med flytande drivmedel som körs på väte och syre. Till skillnad från raketmotorer, som placeras på separata scener, bör en sådan vätskedrivande raketmotor fungera effektivt under olika förhållanden och på olika höjder, inklusive start och flygning utanför jordens atmosfär. "En vanlig raketmotor med flytande drivmedel med Laval-munstycken fungerar bara vid vissa höjdintervaller", säger Makeevka-designers. Gasstrålen i sådana raketmotorer anpassar sig till trycket "överbord"; dessutom behåller de sin effektivitet både på jordytan och ganska högt i stratosfären.
RN "Korona" i orbitalflygning med stängt nyttolastfack, render
Men hittills i världen finns det helt enkelt inte en fungerande motor av denna typ, även om de utvecklades aktivt i Sovjetunionen och USA. Experter tror att Korona-återanvändningsbilen ska vara utrustad med en modulversion av motorn, där kil-luftmunstycket är det enda elementet som för närvarande inte har en prototyp och inte har testats i praktiken. Samtidigt har Ryssland egna teknologer vid tillverkning av moderna kompositmaterial och delar från dem. Deras utveckling och tillämpning är ganska framgångsrikt engagerade, till exempel i JSC "Composite" och All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM).
För en säker flykt i jordens atmosfär kommer Koronas kolfiberstruktur att skyddas av en värmeskyddande kakel, som tidigare utvecklades vid VIAM för rymdfarkosten Buran och sedan dess har gått igenom en betydande utvecklingsväg. "Den huvudsakliga värmebelastningen på Korona kommer att koncentreras till dess båge, där termiska skyddselement med hög temperatur används", konstaterar designerna.”Samtidigt har uppskjutningsfordonets utsvängda sidor en större diameter och ligger i en spetsig vinkel mot luftflödet. Den termiska belastningen på dessa element är mindre, och detta gör i sin tur att vi kan använda lättare material. Som ett resultat uppnås en besparing på cirka 1,5 ton vikt. Massan av raketens högtemperaturdel överstiger inte 6 procent av den totala massan av värmeskyddet för Korona. Som jämförelse stod rymdfärjan för mer än 20 procent."
Den snygga, avsmalnande formen på den återanvändbara raketen är resultatet av mycket försök och misstag. Enligt utvecklarna granskade och utvärderade de hundratals olika alternativ när de arbetade med projektet. "Vi bestämde oss för att helt överge vingarna, som rymdfärjan eller rymdskeppet Buran", säger utvecklarna. - I stort sett, när de befinner sig i atmosfärens övre lager, stör vingarna bara rymdfarkosten. Sådana rymdskepp kommer in i atmosfären med hypersonisk hastighet inte bättre än ett "järn", och endast vid supersonisk hastighet passerar de till horisontell flygning, varefter de fullt ut kan lita på vingarnas aerodynamik."
Rakets koniska axelsymmetriska form tillåter inte bara att underlätta värmeskydd, utan också för att ge den goda aerodynamiska egenskaper när den rör sig vid höga flyghastigheter. Redan i de övre lagren i atmosfären får "Korona" en lyftkraft, som gör att raketen inte bara kan sakta ner, utan också att göra manövrar. Detta gör att lanseringsfordonet kan manövrera på hög höjd när det flyger till landningsplatsen; i framtiden behöver det bara slutföra bromsprocessen, korrigera dess kurs, svänga bakåt med små manövermotorer och landa på marken.
Problemet med projektet är att Korona fortfarande utvecklas under förhållanden med otillräcklig finansiering eller fullständig frånvaro. För närvarande har Makeyev SRC endast slutfört ett utkast till design om detta ämne. Enligt de uppgifter som tillkännagavs under XLII Academic Readings on Cosmonautics 2018 genomfördes genomförbarhetsstudier av projektet för skapandet av Korona -uppskjutningsfordon och ett effektivt raketutvecklingsschema utarbetades. De nödvändiga förutsättningarna för skapandet av ett nytt uppskjutningsfordon har undersökts och utsikterna och resultaten av både utvecklingsprocessen och den framtida driften av den nya raketen har analyserats.
Efter nyheterna om Crown -projektet 2017 och 2018 följer tystnaden igen … Projektets utsikter och genomförande är fortfarande oklara. Samtidigt kommer SpaceX att presentera ett testprov av sin nya återanvändbara Big Falcon Rocket (BFR) sommaren 2019. Det kan ta många år från skapandet av ett testprov till en fullvärdig raket, som kommer att bekräfta dess tillförlitlighet och prestanda, men för närvarande kan vi konstatera: Elon Musk och hans företag gör saker som kan ses och beröras med händerna. Samtidigt borde Roskosmos, enligt premiärminister Dmitrij Medvedev, avsluta sitt projekt och chatta om vart vi ska flyga i framtiden. Du behöver prata mindre och göra mer.
