Tiek uzskatīts, ka tehnoloģijas vienmēr attīstās pakāpeniski, no vienkāršas līdz sarežģītai, no akmens naža līdz tēraudam - un tikai pēc tam uz ieprogrammētu frēzmašīnu. Tomēr kosmosa raķešu liktenis izrādījās mazāk vienkāršs. Vienkāršu, uzticamu vienpakāpju raķešu radīšana ilgu laiku palika nepieejama dizaineriem. Nepieciešami risinājumi, ko nevarētu piedāvāt ne materiālu zinātnieki, ne dzinēju inženieri. Līdz šim nesējraķetes paliek daudzpakāpju un vienreizējās lietošanas: dažas minūtes tiek izmantota neticami sarežģīta un dārga sistēma, pēc kuras tā tiek izmesta
“Iedomājieties, ka pirms katra lidojuma jūs saliktu jaunu lidmašīnu: jūs savienotu fizelāžu ar spārniem, novietotu elektrības kabeļus, uzstādītu dzinējus un pēc nosēšanās nosūtītu to uz poligonu … Jūs tālu nelidosit kā tas,”mums pastāstīja Valsts raķešu centra izstrādātāji. Makeeva. “Bet tieši to mēs darām katru reizi, nosūtot kravas orbītā. Protams, ideālā gadījumā ikviens vēlētos, lai būtu uzticama vienpakāpes "mašīna", kas neprasa montāžu, bet ierodas kosmodromā, uzpildīta un palaista. Un tad tas atgriežas un sākas no jauna - un atkal "…
Pusceļā
Kopumā raķešu nozare mēģināja tikt galā ar vienu posmu no agrākajiem projektiem. Sākotnējās Tsiolkovsky skicēs parādās tieši šādas struktūras. Viņš atteicās no šīs idejas tikai vēlāk, saprotot, ka divdesmitā gadsimta sākuma tehnoloģijas neļauj realizēt šo vienkāršo un eleganto risinājumu. 1960. gados atkal radās interese par vienpakāpes pārvadātājiem, un šādi projekti tika izstrādāti abās okeāna pusēs. Līdz septiņdesmitajiem gadiem ASV strādāja pie vienpakāpju raķetēm SASSTO, Phoenix un vairākiem risinājumiem, kuru pamatā bija nesējraķetes Saturn V trešā posma S-IVB, kas nogādāja astronautus uz Mēness.
"Šāda iespēja ar kravnesību neatšķirtos, dzinēji tam nebija pietiekami labi, bet tomēr tas būtu viens posms, kas spēj lidot orbītā," turpina inženieri. "Protams, ekonomiski tas būtu pilnīgi nepamatoti." Kompozīti un tehnoloģijas darbam ar tiem ir parādījušies tikai pēdējās desmitgadēs, kas ļauj pārvadātāju padarīt vienpakāpju un turklāt atkārtoti lietojamu. Šādas "zinātnei intensīvas" raķetes izmaksas būs augstākas nekā tradicionālajam dizainam, taču tā tiks "izkliedēta" pa daudziem palaišanas gadījumiem, tāpēc palaišanas cena būs daudz zemāka par parasto līmeni.
Mūsdienās izstrādātāju galvenais mērķis ir plašsaziņas līdzekļu atkārtota izmantošana. Space Shuttle un Energia-Buran sistēmas bija daļēji atkārtoti izmantojamas. Pirmā posma atkārtota izmantošana tiek pārbaudīta raķetēm SpaceX Falcon 9. SpaceX jau ir veikusi vairākus veiksmīgus desantus, un marta beigās viņi mēģinās atkal palaist vienu no kosmosā lidojošajiem posmiem. "Mūsuprāt, šī pieeja var tikai diskreditēt ideju izveidot reālu atkārtoti lietojamu datu nesēju," atzīmē Makeev dizaina birojs. "Jums joprojām ir jāsakārto šāda raķete pēc katra lidojuma, jāinstalē savienojumi un jaunas vienreizējās lietošanas sastāvdaļas … un mēs esam atgriezušies tur, kur sākām."
Pilnībā atkārtoti izmantojami mediji joprojām ir tikai projektu veidā - izņemot amerikāņu kompānijas Blue Origin New Shepard. Līdz šim raķete ar pilotējamo kapsulu ir paredzēta tikai kosmosa tūristu suborbitālajiem lidojumiem, taču lielāko daļu šajā gadījumā atrasto risinājumu var viegli pielāgot nopietnākam orbitālajam nesējam. Uzņēmuma pārstāvji neslēpj savus plānus izveidot šādu iespēju, kurai jau tiek izstrādāti jaudīgi dzinēji BE-3 un BE-4. "Ar katru suborbitālo lidojumu mēs tuvojamies orbītā," apliecināja Blue Origin. Bet viņu daudzsološais pārvadātājs New Glenn arī nebūs pilnībā atkārtoti lietojams: tikai pirmais bloks, kas izveidots, pamatojoties uz jau pārbaudīto New Shepard dizainu, ir jāizmanto atkārtoti.
Materiāla izturība
CFRP materiāli, kas nepieciešami pilnībā atkārtoti izmantojamām un vienpakāpju raķetēm, ir izmantoti kosmosa tehnoloģijās kopš deviņdesmitajiem gadiem. Tajos pašos gados McDonnell Douglas inženieri ātri sāka īstenot projektu Delta Clipper (DC-X), un šodien viņi varēja lepoties ar gatavu un lidojošu oglekļa šķiedras nesēju. Diemžēl, pateicoties Lockheed Martin spiedienam, darbs pie DC-X tika pārtraukts, tehnoloģijas tika nodotas NASA, kur tās mēģināja tās izmantot neveiksmīgajam VentureStar projektam, pēc kura daudzi šajā tēmā iesaistītie inženieri devās strādāt pie Blue Origin, un pašu uzņēmumu pārņēma Boeing.
Tajos pašos deviņdesmitajos gados par šo uzdevumu sāka interesēties Krievijas SRC Makejevs. Kopš tā laika projekts KORONA ("Kosmiskā raķete, [kosmosa] transportlīdzekļu vienpakāpju nesējs") ir piedzīvojis manāmu attīstību, un starpposma versijas parāda, kā dizains un izkārtojums kļuva arvien vienkāršāks un perfekts. Pamazām izstrādātāji atteicās no sarežģītiem elementiem, piemēram, spārniem vai ārējām degvielas tvertnēm, un saprata, ka galvenajam korpusa materiālam jābūt oglekļa šķiedrai. Kopā ar izskatu mainījās gan svars, gan celtspēja. "Izmantojot pat labākos mūsdienu materiālus, nav iespējams izveidot vienpakāpes raķeti, kas sver mazāk nekā 60-70 tonnas, bet tās lietderīgā slodze būs ļoti maza," saka viens no izstrādātājiem. - Bet, pieaugot sākuma masai, struktūrai (līdz noteiktai robežai) ir arvien mazāka daļa, un to izmantot kļūst arvien izdevīgāk. Orbitālajai raķetei šis optimums ir aptuveni 160–170 tonnas, sākot no šīs skalas, tās izmantošanu jau var attaisnot.”
Projekta KORONA jaunākajā versijā starta masa ir vēl lielāka un tuvojas 300 tonnām. Šādai lielai vienpakāpju raķetei ir jāizmanto ļoti efektīvs šķidro propelentu reaktīvais dzinējs, kas darbojas ar ūdeņradi un skābekli. Atšķirībā no atsevišķos posmos esošiem dzinējiem, šādam šķidrās degvielas raķešu dzinējam jāspēj darboties ļoti atšķirīgos apstākļos un dažādos augstumos, ieskaitot pacelšanos un lidojumu ārpus atmosfēras. "Parastais šķidrās degvielas dzinējs ar Laval sprauslām ir efektīvs tikai noteiktos augstuma diapazonos," skaidro Makeevka dizaineri, "tāpēc mēs nonācām pie nepieciešamības izmantot ķīļveida gaisa raķešu dzinēju." Gāzes strūkla šādos motoros pielāgojas spiedienam “aiz borta”, un tie saglabā efektivitāti gan virspusē, gan augstā stratosfērā.
Pagaidām pasaulē nav šāda tipa strādājoša dzinēja, lai gan ar viņiem ir un tiek nodarbojušies gan mūsu valstī, gan ASV. Pagājušā gadsimta 60. gados Rocketdyne inženieri testēja šādus dzinējus uz stenda, taču tie nenāca pie uzstādīšanas uz raķetēm. CROWN jāaprīko ar moduļu versiju, kurā ķīļveida gaisa sprausla ir vienīgais elements, kuram vēl nav prototipa un kas nav pārbaudīts. Krievijā ir arī visas kompozītmateriālu detaļu ražošanas tehnoloģijas - tās ir izstrādātas un tiek veiksmīgi izmantotas, piemēram, Viskrievijas aviācijas materiālu institūtā (VIAM) un AAS “Kompozit”.
Vertikāli piemērots
Lidojot atmosfērā, CORONA ar oglekļa šķiedru pastiprinātā plastmasas konstrukcija tiks pārklāta ar siltumizolācijas flīzēm, ko VIAM izstrādājusi Burans un kopš tā laika ir ievērojami uzlabojusies."Mūsu raķetes galvenā siltuma slodze ir koncentrēta uz tās" degunu ", kur tiek izmantoti augstas temperatūras termiskās aizsardzības elementi," skaidro dizaineri. - Šajā gadījumā raķetes izplešanās pusēm ir lielāks diametrs un tās atrodas akūtā leņķī pret gaisa plūsmu. Termiskā slodze uz tiem ir mazāka, kas ļauj izmantot vieglākus materiālus. Rezultātā esam ietaupījuši vairāk nekā 1,5 tonnas. Augstas temperatūras daļas masa nepārsniedz 6% no termiskās aizsardzības kopējās masas. Salīdzinājumam, tas veido vairāk nekā 20% transporta pakalpojumu."
Gluds, konusveida plašsaziņas līdzekļu dizains ir neskaitāmu izmēģinājumu un kļūdu rezultāts. Pēc izstrādātāju domām, ja ņemat vērā tikai iespējamā atkārtoti lietojamā vienpakāpes nesēja galvenās īpašības, jums būs jāapsver aptuveni 16 000 to kombināciju. Strādājot pie projekta, dizaineri novērtēja simtiem no tiem. "Mēs nolēmām atteikties no spārniem, piemēram, uz Buran vai Space Shuttle," viņi saka. - Kopumā atmosfēras augšdaļā tie traucē tikai kosmosa kuģiem. Šādi kuģi nokļūst atmosfērā ar hiperskaņas ātrumu ne labāk kā "dzelzs", un tikai ar virsskaņas ātrumu viņi pāriet uz horizontālu lidojumu un var pienācīgi paļauties uz spārnu aerodinamiku."
Asu simetriskā konusa forma ne tikai atvieglo termisko aizsardzību, bet arī nodrošina labu aerodinamiku, braucot ar ļoti lielu ātrumu. Jau atmosfēras augšējos slāņos raķete saņem pacēlumu, kas tai ļauj ne tikai bremzēt šeit, bet arī manevrēt. Tas, savukārt, ļauj veikt nepieciešamos manevrus lielā augstumā, dodoties uz nosēšanās vietu, un turpmākajā lidojumā atliek tikai pabeigt bremzēšanu, labot kursu un pagriezties uz leju, izmantojot vājus manevrēšanas dzinējus.
Atgādiniet gan Falcon 9, gan New Shepard: šodien vertikālā nosēšanās laikā nav nekā neiespējama vai pat neparasta. Tajā pašā laikā tas ļauj iztikt ar ievērojami mazākiem spēkiem skrejceļa būvniecības un ekspluatācijas laikā - skrejceļam, uz kura piezemējās tie paši autobusi un Burans, bija jābūt vairāku kilometru garumam, lai bremzētu transportlīdzekli plkst. ātrumu simtiem kilometru stundā. "CROWN principā var pat pacelties no jūras platformas un nolaisties uz tās," piebilst viens no projekta autoriem, "galīgā nosēšanās precizitāte būs aptuveni 10 m, raķete tiek nolaista uz izvelkamiem pneimatiskajiem amortizatoriem.” Atliek tikai veikt diagnostiku, uzpildīt degvielu, novietot jaunu kravu - un jūs varat atkal lidot.
KORONA joprojām tiek īstenota, ja nav finansējuma, tāpēc Makeev dizaina biroja izstrādātājiem izdevās nokļūt tikai līdz projekta projekta pēdējiem posmiem. “Mēs šo posmu esam izturējuši gandrīz pilnīgi un pilnīgi neatkarīgi, bez ārēja atbalsta. Mēs jau esam izdarījuši visu iespējamo, - stāsta dizaineri. - Mēs zinām, kas, kur un kad būtu jāražo. Tagad mums jāpāriet pie galveno vienību praktiskās projektēšanas, ražošanas un izstrādes, un tas prasa naudu, tāpēc tagad viss ir atkarīgs no tiem."
Kavēts starts
CFRP raķete sagaida tikai plaša mēroga palaišanu; saņemot nepieciešamo atbalstu, dizaineri ir gatavi sākt lidojumu testus pēc sešiem gadiem, bet pēc septiņiem līdz astoņiem gadiem - sākt eksperimentālo pirmo raķešu darbību. Viņi lēš, ka tas prasa mazāk nekā 2 miljardus ASV dolāru - pēc raķešu standartiem tas nav daudz. Tajā pašā laikā investīciju atdevi var sagaidīt pēc septiņiem raķetes izmantošanas gadiem, ja komerciālo palaišanas gadījumu skaits saglabājas līdzšinējā līmenī, vai pat pēc 1,5 gadiem - ja tas pieaugs ar prognozētajiem tempiem.
Turklāt manevrējošo dzinēju, satikšanās un dokstaciju klātbūtne raķetē arī ļauj paļauties uz sarežģītām vairāku palaišanas shēmām. Ņemot izlietoto degvielu nevis nosēšanās, bet gan kravas pabeigšanai, ir iespējams to sasniegt vairāk nekā 11 tonnu masā. Tad CROWN piestās ar otro, "tankkuģi", kas piepildīs savas tvertnes ar atgriešanai nepieciešamo papildu degvielu. Bet tomēr daudz svarīgāka ir atkārtota izmantošana, kas pirmo reizi atbrīvos mūs no nepieciešamības savākt plašsaziņas līdzekļus pirms katras palaišanas - un zaudēt to pēc katras palaišanas. Tikai šāda pieeja var nodrošināt stabilas divvirzienu satiksmes plūsmas izveidi starp Zemi un orbītu, un vienlaikus sākumu reālai, aktīvai, plaša mēroga Zemes tuvumā esošas telpas izmantošanai.
Tikmēr CROWN paliek neizpratnē, turpinās darbs pie New Shepard. Attīstās arī līdzīgs japāņu projekts RVT. Krievijas izstrādātājiem, iespējams, vienkārši nepietiek atbalsta izrāvienam. Ja jums ir rezervē pāris miljardi, tas ir daudz labāks ieguldījums nekā pat lielākā un greznākā jahta pasaulē.
