Ruski prostor

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Vjeruje se da se tehnologije uvijek razvijaju postupno, od jednostavnog do složenog, od kamenog noža do čelika - a tek onda do programirane glodalice. Međutim, pokazalo se da sudbina svemirske rakete nije bila tako jednostavna. Stvaranje jednostavnih, pouzdanih jednostupanjskih projektila dugo je vremena ostalo nedostupno dizajnerima.

Bila su potrebna rješenja koja ni znanstvenici o materijalima ni inženjeri motora nisu mogli ponuditi. Do sada su lansirne rakete ostale u više stupnjeva i za jednokratnu upotrebu: nevjerojatno složen i skup sustav koristi se nekoliko minuta, a zatim se baca.

“Zamislite da biste prije svakog leta sastavili novi avion: spojili biste trup na krila, položili električne kablove, ugradili motore, a nakon slijetanja poslali biste ga na smetlište… Ne možete letjeti tako daleko”, rekli su nam programeri Državnog raketnog centra. Makeeva. “Ali to je upravo ono što radimo svaki put kada šaljemo teret u orbitu. Naravno, idealno bi bilo da svatko želi imati pouzdanu jednostupanjsku "stroju" koja ne zahtijeva montažu, već stiže na kozmodrom, napunjena gorivom i lansirana. A onda se vraća i počinje iznova - i opet "…

Na pola puta

Uglavnom, raketna tehnika je pokušala proći s jednom etapom od najranijih projekata. U početnim skicama Ciolkovskog pojavljuju se upravo takve strukture. Od te je ideje napustio tek kasnije, shvativši da tehnologije s početka dvadesetog stoljeća nisu dopuštale realizaciju ovog jednostavnog i elegantnog rješenja. Interes za jednostupanjske nosače ponovno se pojavio 1960-ih, a takvi projekti su se radili s obje strane oceana. Do 1970-ih Sjedinjene Države su radile na jednostupanjskim raketama SASSTO, Phoenix i nekoliko rješenja baziranih na S-IVB, trećem stupnju rakete-nosača Saturn V, koja je astronaute dopremila na Mjesec.

CORONA mora postati robotizirana i dobiti inteligentni softver za upravljački sustav. Softver će se moći ažurirati izravno u letu, a u hitnim slučajevima automatski će se "vratiti" na sigurnosnu stabilnu verziju.

"Takva opcija ne bi se razlikovala po nosivosti, motori nisu bili dovoljno dobri za to, ali bi i dalje bila jedna faza, sasvim sposobna za let u orbitu", nastavljaju inženjeri. "Naravno, ekonomski bi to bilo potpuno neopravdano." Kompoziti i tehnologije za rad s njima pojavili su se tek u posljednjih nekoliko desetljeća, što omogućuje da se nosač učini jednostupanjskim i, štoviše, višekratnim. Cijena takve "znanstveno-intenzivne" rakete bit će veća od one tradicionalne izvedbe, ali će biti "rasprostranjena" na mnoga lansiranja, tako da će cijena lansiranja biti znatno niža od uobičajene razine.

Upravo je ponovna upotreba medija glavni cilj današnjih programera. Space Shuttle i Energia-Buran sustavi bili su djelomično za višekratnu upotrebu. Ponovno korištenje prvog stupnja testira se za rakete SpaceX Falcon 9. SpaceX je već napravio nekoliko uspješnih slijetanja, a krajem ožujka pokušat će lansirati jednu od stepenica koja je ponovno poletjela u svemir. "Po našem mišljenju, ovaj pristup može samo diskreditirati ideju stvaranja pravog medija za višekratnu upotrebu", napominje Dizajnerski biro Makeev. "Još uvijek morate posložiti takvu raketu nakon svakog leta, instalirati veze i nove komponente za jednokratnu upotrebu… i vratili smo se tamo gdje smo počeli."

Potpuno višekratni mediji još uvijek su samo u obliku projekata - s izuzetkom New Sheparda američke tvrtke Blue Origin. Zasad je raketa s kapsulom s ljudskom posadom namijenjena samo suborbitalnim letovima svemirskih turista, no većina rješenja pronađenih u ovom slučaju može se lako skalirati za ozbiljniji orbitalni nosač. Predstavnici tvrtke ne kriju svoje planove za stvaranje takve opcije, za koju se već razvijaju snažni motori BE-3 i BE-4. "Sa svakim suborbitalnim letom približavamo se orbiti", uvjeravali su Blue Origin. No njihov obećavajući nosač, New Glenn, također neće biti u potpunosti ponovno upotrebljiv: samo bi se prvi blok, kreiran na temelju već testiranog New Shepard dizajna, trebao ponovno koristiti.

Otpornost materijala

CFRP materijali potrebni za potpuno višekratnu upotrebu i jednostupanjske rakete koriste se u zrakoplovnoj tehnologiji od 1990-ih. Tih istih godina inženjeri u McDonnell Douglasu brzo su počeli implementirati projekt Delta Clipper (DC-X) i danas bi se mogli pohvaliti gotovim i letećim nosačem od karbonskih vlakana. Nažalost, pod pritiskom Lockheed Martina, rad na DC-X-u je prekinut, tehnologije su prebačene u NASA-u, gdje su ih pokušali iskoristiti za neuspješni projekt VentureStar, nakon čega su mnogi inženjeri uključeni u ovu temu prešli raditi u Blue Origin, a samu tvrtku preuzeo je Boeing.

Istih 1990-ih za ovaj se zadatak zainteresirao ruski SRC Makeev. Tijekom godina od tada, projekt KORONA ("Svemirska raketa, jednostupanjski nosač [svemirskih] vozila") doživio je zamjetnu evoluciju, a srednje verzije pokazuju kako su dizajn i izgled postajali sve jednostavniji i savršeniji. Postupno su programeri napustili složene elemente - poput krila ili vanjskih spremnika goriva - i došli do shvaćanja da bi glavni materijal karoserije trebao biti karbonska vlakna. Zajedno s izgledom promijenila se i težina i nosivost. "Upotrebom čak i najboljih modernih materijala nemoguće je izgraditi jednostupanjsku raketu tešku od 60-70 tona, dok će njena nosivost biti vrlo mala", kaže jedan od programera. - No kako početna masa raste, struktura (do određene granice) zauzima sve manji udio, a koristiti je postaje sve isplativije. Za orbitalnu raketu, ovaj optimum je oko 160-170 tona, počevši od ove ljestvice, njegova se upotreba već može opravdati."

U najnovijoj verziji projekta KORONA lansirna masa je još veća i približava se 300 tona. Tako velika jednostupanjska raketa zahtijeva korištenje visokoučinkovitog tekućeg mlaznog motora koji radi na vodik i kisik. Za razliku od motora na odvojenim stupnjevima, takav raketni motor na tekuće gorivo mora "moći" raditi u vrlo različitim uvjetima i na različitim visinama, uključujući polijetanje i let izvan atmosfere. „Konvencionalni motor na tekuće gorivo s Lavalovim mlaznicama učinkovit je samo na određenim visinskim rasponima“, objašnjavaju dizajneri Makejevke, „pa smo došli do potrebe za korištenjem raketnog motora klinastog zraka“. Mlaz plina u takvim motorima automatski se prilagođava tlaku "preko broda", a oni ostaju učinkoviti i na površini i visoko u stratosferi.

Kontejner za teret

Do sada u svijetu ne postoji motor ovog tipa koji radi, iako se njima bavilo i bavi se i kod nas i u SAD-u. Šezdesetih godina prošlog stoljeća inženjeri Rocketdynea testirali su takve motore na postolju, ali nisu došli do ugradnje na projektile. CROWN bi trebao biti opremljen modularnom verzijom, u kojoj je klinasto-zračna mlaznica jedini element koji još nema prototip i nije testiran. U Rusiji postoje i sve tehnologije za proizvodnju kompozitnih dijelova - razvijene su i uspješno se koriste, na primjer, u Sveruskom institutu za zrakoplovne materijale (VIAM) i u JSC Kompozit.

Vertikalno pristajanje

Prilikom letenja u atmosferi, nosiva konstrukcija KORONA od ugljičnih vlakana bit će prekrivena pločama za zaštitu od topline koje je VIAM razvio za Burane i od tada su osjetno poboljšane."Glavno toplinsko opterećenje naše rakete koncentrirano je na njezin" nos, gdje se koriste elementi toplinske zaštite od visoke temperature, - objašnjavaju dizajneri. - U ovom slučaju, širine strane rakete imaju veći promjer i nalaze se pod oštrim kutom u odnosu na strujanje zraka. Toplinsko opterećenje na njima je manje, što omogućuje korištenje lakših materijala. Time smo uštedjeli više od 1,5 t. Masa visokotemperaturnog dijela ne prelazi 6% ukupne mase toplinske zaštite. Za usporedbu, u Shuttleima to čini više od 20%.

Elegantni suženi dizajn medija rezultat je bezbrojnih pokušaja i pogrešaka. Prema programerima, ako uzmete samo ključne karakteristike mogućeg jednostupanjskog nosača za višekratnu upotrebu, morat ćete razmotriti oko 16.000 njihovih kombinacija. Stotine njih cijenili su dizajneri dok su radili na projektu. "Odlučili smo napustiti krila, kao na Buranu ili Space Shuttleu", kažu. - Uglavnom, u gornjim slojevima atmosfere samo ometaju letjelice. Takvi brodovi ulaze u atmosferu hipersoničnom brzinom koja nije bolja od "pegle", a tek pri nadzvučnoj brzini prelaze na horizontalni let i mogu se ispravno osloniti na aerodinamiku krila."

Osnosimetrični oblik konusa ne samo da omogućuje lakšu toplinsku zaštitu, već ima i dobru aerodinamiku pri vožnji pri vrlo velikim brzinama. Već u gornjim slojevima atmosfere, raketa dobiva podizanje, što joj omogućuje ne samo kočenje ovdje, već i manevriranje. To, pak, omogućuje izvođenje potrebnih manevara na velikoj visini, smjera prema mjestu slijetanja, au budućem letu bit će potrebno samo dovršiti kočenje, ispraviti kurs i skrenuti prema dolje, uz slabu manevraciju motori.

Prisjetimo se i Falcona 9 i New Sheparda: danas nema ničeg nemogućeg ili čak neobičnog u vertikalnom slijetanju. Istovremeno, omogućuje snalaženje sa znatno manjim snagama tijekom izgradnje i eksploatacije uzletno-sletne staze - staza na koju su sletjeli isti Shuttles i Buran morala je imati duljinu od nekoliko kilometara da bi zakočila vozilo na brzinom od stotine kilometara na sat. „CROWN, u principu, može čak i poletjeti s morske platforme i sletjeti na nju“, dodaje jedan od autora projekta, „konačna točnost slijetanja bit će oko 10 m, raketa se spušta na uvlačne pneumatske amortizere. Ostaje samo provesti dijagnostiku, napuniti gorivo, postaviti novi teret - i možete ponovno letjeti.

KORONA se još uvijek implementira u nedostatku sredstava, tako da su programeri Projektnog biroa Makeev uspjeli doći samo do završnih faza izrade nacrta. “Ovu fazu smo prošli gotovo u potpunosti i potpuno samostalno, bez vanjske podrške. Već smo napravili sve što se moglo napraviti - kažu dizajneri. - Znamo što, gdje i kada treba proizvoditi. Sada trebamo prijeći na praktičan dizajn, proizvodnju i razvoj ključnih jedinica, a za to je potreban novac, pa sada sve ovisi o njima."

Odgođeni početak

CFRP raketu očekuje samo masovno lansiranje, nakon što dobiju potrebnu podršku, dizajneri su spremni započeti letna ispitivanja za šest godina, a za sedam do osam godina - započeti eksperimentalni rad prvih projektila. Procjenjuju da je za to potrebno manje od 2 milijarde dolara - prema standardima raketne znanosti ne mnogo. Istodobno, povrat ulaganja može se očekivati nakon sedam godina korištenja rakete, ako broj komercijalnih lansiranja ostane na sadašnjoj razini, ili čak za 1,5 godinu - ako raste predviđenim stopama.

Štoviše, prisutnost motora za manevriranje, uređaja za sastanke i pristajanja na raketi omogućuje računanje na složene sheme lansiranja s višestrukim lansiranjem. Trošenjem goriva ne na slijetanje, već na dodavanje nosivosti, možete ga dovesti do mase veće od 11 tona. Tada će KRUNA pristati s drugim, "tankerom", koji će svoje spremnike puniti dodatnim gorivom potrebnim za povratak. No, ipak, puno je važnija ponovna upotreba, koja će nas po prvi put osloboditi potrebe prikupljanja medija prije svakog pokretanja – i gubitka nakon svakog pokretanja. Samo takav pristup može osigurati stvaranje stabilnog dvosmjernog prometnog toka između Zemlje i orbite, a ujedno i početak pravog, aktivnog, masovnog iskorištavanja svemira blizu Zemlje.

U međuvremenu, KRUNA ostaje u limbu, rad na New Shepardu se nastavlja. Sličan japanski projekt RVT također se razvija. Ruski programeri možda jednostavno nemaju dovoljno podrške za proboj. Ako imate par milijardi viška, ovo je daleko bolja investicija čak i od najveće i najluksuznije jahte na svijetu.