Ρωσικός χώρος

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Πιστεύεται ότι οι τεχνολογίες αναπτύσσονται πάντα σταδιακά, από απλές σε σύνθετες, από πέτρινο μαχαίρι σε χάλυβα - και μόνο τότε σε μια προγραμματισμένη μηχανή φρεζαρίσματος. Ωστόσο, η μοίρα του διαστημικού πυραύλου αποδείχθηκε ότι δεν ήταν τόσο απλή. Η δημιουργία απλών, αξιόπιστων πυραύλων ενός σταδίου για μεγάλο χρονικό διάστημα παρέμεινε απρόσιτη στους σχεδιαστές.

Απαιτήθηκαν λύσεις που ούτε επιστήμονες υλικών ούτε μηχανικοί κινητήρων μπορούσαν να προσφέρουν. Μέχρι τώρα, τα οχήματα εκτόξευσης παραμένουν πολλαπλών σταδίων και μιας χρήσης: ένα απίστευτα περίπλοκο και ακριβό σύστημα χρησιμοποιείται για λίγα λεπτά και στη συνέχεια πετιέται.

«Φανταστείτε ότι πριν από κάθε πτήση θα συναρμολογούσατε ένα νέο αεροπλάνο: θα συνδέατε την άτρακτο με τα φτερά, θα τοποθετούσατε ηλεκτρικά καλώδια, θα τοποθετούσατε τις μηχανές και μετά την προσγείωση θα το στέλνατε σε ένα σκουπιδότοπο… Δεν μπορείτε να πετάξετε τόσο μακριά », μας είπαν οι προγραμματιστές του State Missile Center. Μακέεβα. «Αλλά αυτό ακριβώς κάνουμε κάθε φορά που στέλνουμε φορτίο σε τροχιά. Φυσικά, ιδανικά όλοι θα ήθελαν να έχουν μια αξιόπιστη «μηχανή» ενός σταδίου που δεν απαιτεί συναρμολόγηση, αλλά φτάνει στο κοσμοδρόμιο, ανεφοδιάζεται και εκτοξεύεται. Και μετά επιστρέφει και αρχίζει ξανά - και ξανά …

Στα μισά του δρόμου

Σε γενικές γραμμές, η πυραυλάκωση προσπάθησε να τα βγάλει πέρα με ένα στάδιο από τα πρώτα έργα. Στα αρχικά σκίτσα του Tsiolkovsky εμφανίζονται ακριβώς τέτοιες δομές. Εγκατέλειψε αυτήν την ιδέα μόνο αργότερα, συνειδητοποιώντας ότι οι τεχνολογίες των αρχών του εικοστού αιώνα δεν επέτρεψαν να πραγματοποιηθεί αυτή η απλή και κομψή λύση. Το ενδιαφέρον για τους αερομεταφορείς ενός σταδίου εμφανίστηκε ξανά τη δεκαετία του 1960 και τέτοια έργα εκπονούνταν και στις δύο πλευρές του ωκεανού. Μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι Ηνωμένες Πολιτείες εργάζονταν σε πυραύλους μονοβάθμιου SASSTO, Phoenix και πολλές λύσεις βασισμένες στον S-IVB, το τρίτο στάδιο του οχήματος εκτόξευσης Saturn V, το οποίο παρέδωσε αστροναύτες στο φεγγάρι.

Το CORONA πρέπει να γίνει ρομποτικό και να λάβει έξυπνο λογισμικό για το σύστημα ελέγχου. Το λογισμικό θα μπορεί να ενημερώνεται απευθείας κατά την πτήση και σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης θα "επιστρέφει" αυτόματα στην εφεδρική σταθερή έκδοση.

«Μια τέτοια επιλογή δεν θα διέφερε ως προς τη μεταφορική ικανότητα, οι κινητήρες δεν ήταν αρκετά καλοί για αυτό, αλλά θα ήταν ακόμα ένα στάδιο, αρκετά ικανό να πετάξει σε τροχιά», συνεχίζουν οι μηχανικοί. «Φυσικά, οικονομικά θα ήταν εντελώς αδικαιολόγητο». Τα σύνθετα υλικά και οι τεχνολογίες για την εργασία μαζί τους έχουν εμφανιστεί μόνο τις τελευταίες δεκαετίες, γεγονός που καθιστά δυνατό τον μεταφορέα ενός σταδίου και, επιπλέον, επαναχρησιμοποιήσιμου. Το κόστος ενός τέτοιου πυραύλου «εντάσεως επιστήμης» θα είναι υψηλότερο από αυτό ενός παραδοσιακού σχεδιασμού, αλλά θα «απλωθεί» σε πολλές εκτοξεύσεις, έτσι ώστε η τιμή εκτόξευσης να είναι σημαντικά χαμηλότερη από το συνηθισμένο επίπεδο.

Είναι η επαναχρησιμοποίηση των μέσων που είναι ο κύριος στόχος των προγραμματιστών σήμερα. Τα συστήματα Space Shuttle και Energia-Buran ήταν εν μέρει επαναχρησιμοποιήσιμα. Η επαναλαμβανόμενη χρήση του πρώτου σταδίου δοκιμάζεται για τους πυραύλους SpaceX Falcon 9. Η SpaceX έχει ήδη πραγματοποιήσει αρκετές επιτυχημένες προσγειώσεις και στα τέλη Μαρτίου θα προσπαθήσει να εκτοξεύσει ένα από τα στάδια που πέταξε ξανά στο διάστημα. «Κατά τη γνώμη μας, αυτή η προσέγγιση μπορεί μόνο να δυσφημήσει την ιδέα της δημιουργίας ενός πραγματικού επαναχρησιμοποιήσιμου μέσου», σημειώνει το Makeev Design Bureau. "Πρέπει ακόμα να τακτοποιήσετε έναν τέτοιο πύραυλο μετά από κάθε πτήση, να εγκαταστήσετε συνδέσεις και νέα αναλώσιμα εξαρτήματα … και επιστρέψαμε εκεί που ξεκινήσαμε."

Τα πλήρως επαναχρησιμοποιήσιμα μέσα εξακολουθούν να είναι μόνο με τη μορφή έργων - με εξαίρεση το New Shepard της αμερικανικής εταιρείας Blue Origin. Μέχρι στιγμής, ο πύραυλος με επανδρωμένη κάψουλα έχει σχεδιαστεί μόνο για υποτροχιακές πτήσεις διαστημικών τουριστών, αλλά οι περισσότερες από τις λύσεις που βρέθηκαν σε αυτήν την περίπτωση μπορούν εύκολα να κλιμακωθούν για έναν πιο σοβαρό τροχιακό φορέα. Οι εκπρόσωποι της εταιρείας δεν κρύβουν τα σχέδιά τους να δημιουργήσουν μια τέτοια επιλογή, για την οποία αναπτύσσονται ήδη ισχυροί κινητήρες BE-3 και BE-4. «Με κάθε υποτροχιακή πτήση, πλησιάζουμε σε τροχιά», διαβεβαίωσε η Blue Origin. Αλλά ο πολλά υποσχόμενος μεταφορέας τους, το New Glenn, δεν θα είναι επίσης πλήρως επαναχρησιμοποιήσιμος: μόνο το πρώτο μπλοκ, που δημιουργήθηκε με βάση το ήδη δοκιμασμένο σχέδιο του New Shepard, θα πρέπει να επαναχρησιμοποιηθεί.

Αντοχή υλικού

Τα υλικά CFRP που απαιτούνται για πλήρως επαναχρησιμοποιήσιμους και μονοβάθμιους πυραύλους έχουν χρησιμοποιηθεί στην αεροδιαστημική τεχνολογία από τη δεκαετία του 1990. Τα ίδια χρόνια, οι μηχανικοί στο McDonnell Douglas άρχισαν γρήγορα να υλοποιούν το έργο Delta Clipper (DC-X) και σήμερα θα μπορούσαν κάλλιστα να καυχηθούν για έναν έτοιμο και ιπτάμενο φορέα ανθρακονημάτων. Δυστυχώς, υπό την πίεση της Lockheed Martin, οι εργασίες στο DC-X διακόπηκαν, οι τεχνολογίες μεταφέρθηκαν στη NASA, όπου προσπάθησαν να τις χρησιμοποιήσουν για το ανεπιτυχές έργο VentureStar, μετά το οποίο πολλοί μηχανικοί που ασχολήθηκαν με αυτό το θέμα πήγαν να εργαστούν στη Blue Origin. και την ίδια την εταιρεία ανέλαβε η Boeing.

Την ίδια δεκαετία του 1990, το ρωσικό SRC Makeev ενδιαφέρθηκε για αυτό το έργο. Με την πάροδο των ετών από τότε, το έργο KORONA ("Διαστημικός πύραυλος, μονοβάθμιος φορέας [των διαστημικών] οχημάτων") έχει υποστεί αξιοσημείωτη εξέλιξη και οι ενδιάμεσες εκδόσεις δείχνουν πώς ο σχεδιασμός και η διάταξη έγιναν όλο και πιο απλοί και τέλειοι. Σταδιακά, οι προγραμματιστές εγκατέλειψαν πολύπλοκα στοιχεία - όπως φτερά ή εξωτερικές δεξαμενές καυσίμου - και κατέληξαν στην κατανόηση ότι το κύριο υλικό του αμαξώματος πρέπει να είναι ανθρακονήματα. Μαζί με την εμφάνιση άλλαξαν τόσο το βάρος όσο και η φέρουσα ικανότητα. «Χρησιμοποιώντας ακόμη και τα καλύτερα σύγχρονα υλικά, είναι αδύνατο να κατασκευαστεί ένας πύραυλος ενός σταδίου που ζυγίζει λιγότερο από 60-70 τόνους, ενώ το ωφέλιμο φορτίο του θα είναι πολύ μικρό», λέει ένας από τους προγραμματιστές. - Αλλά καθώς η αρχική μάζα μεγαλώνει, η δομή (μέχρι ένα ορισμένο όριο) αντιπροσωπεύει ένα ολοένα μικρότερο μερίδιο και γίνεται όλο και πιο επικερδής η χρήση της. Για έναν τροχιακό πύραυλο, αυτό το βέλτιστο είναι περίπου 160-170 τόνοι, ξεκινώντας από αυτή την κλίμακα, η χρήση του μπορεί ήδη να δικαιολογηθεί».

Στην πιο πρόσφατη έκδοση του έργου KORONA, η μάζα εκτόξευσης είναι ακόμη μεγαλύτερη και πλησιάζει τους 300 τόνους. Ένας τόσο μεγάλος πύραυλος ενός σταδίου απαιτεί τη χρήση ενός υψηλής απόδοσης κινητήρα αεριωθούμενου υγρού προωθητικού που λειτουργεί με υδρογόνο και οξυγόνο. Σε αντίθεση με τους κινητήρες σε ξεχωριστά στάδια, ένας τέτοιος πυραυλικός κινητήρας υγρού καυσίμου πρέπει να "μπορεί" να λειτουργεί σε πολύ διαφορετικές συνθήκες και σε διαφορετικά ύψη, συμπεριλαμβανομένης της απογείωσης και της πτήσης έξω από την ατμόσφαιρα. «Ένας συμβατικός κινητήρας υγρού καυσίμου με ακροφύσια Laval είναι αποτελεσματικός μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές υψομέτρου», εξηγούν οι σχεδιαστές Makeyevka, «επομένως, καταλήξαμε στην ανάγκη να χρησιμοποιήσουμε έναν πυραυλοκινητήρα σφηνωμένου αέρα». Ο πίδακας αερίου σε τέτοιους κινητήρες προσαρμόζεται αυτόματα στην πίεση «στην θάλασσα» και παραμένουν αποτελεσματικοί τόσο στην επιφάνεια όσο και ψηλά στη στρατόσφαιρα.

Εμπορευματοκιβώτιο ωφέλιμου φορτίου

Μέχρι στιγμής δεν υπάρχει κινητήρας τέτοιου τύπου στον κόσμο, αν και έχουν ασχοληθεί και αντιμετωπίζονται τόσο στη χώρα μας όσο και στις ΗΠΑ. Στη δεκαετία του 1960, οι μηχανικοί της Rocketdyne δοκίμασαν τέτοιους κινητήρες σε μια βάση, αλλά δεν ήρθαν για εγκατάσταση σε πυραύλους. Το CROWN θα πρέπει να είναι εξοπλισμένο με μια αρθρωτή έκδοση, στην οποία το ακροφύσιο σφήνας-αέρα είναι το μόνο στοιχείο που δεν έχει ακόμη πρωτότυπο και δεν έχει δοκιμαστεί. Υπάρχουν επίσης όλες οι τεχνολογίες για την παραγωγή σύνθετων εξαρτημάτων στη Ρωσία - έχουν αναπτυχθεί και χρησιμοποιούνται με επιτυχία, για παράδειγμα, στο Πανρωσικό Ινστιτούτο Αεροπορικών Υλικών (VIAM) και στην JSC Kompozit.

Κάθετη εφαρμογή

Όταν πετάτε στην ατμόσφαιρα, η φέρουσα δομή KORONA από ανθρακονήματα θα καλύπτεται με θερμοθωρακτικά πλακίδια που αναπτύχθηκαν από τη VIAM για τους Burans και έκτοτε έχουν βελτιωθεί αισθητά.«Το κύριο θερμικό φορτίο στον πύραυλο μας συγκεντρώνεται στη «μύτη» του, όπου χρησιμοποιούνται στοιχεία θερμικής προστασίας υψηλής θερμοκρασίας, εξηγούν οι σχεδιαστές. - Σε αυτή την περίπτωση, οι διαστελλόμενες πλευρές του πυραύλου έχουν μεγαλύτερη διάμετρο και βρίσκονται σε οξεία γωνία με τη ροή του αέρα. Το θερμικό φορτίο σε αυτά είναι μικρότερο, γεγονός που επιτρέπει τη χρήση ελαφρύτερων υλικών. Ως αποτέλεσμα, εξοικονομήσαμε περισσότερους από 1,5 τόνους Η μάζα του τμήματος υψηλής θερμοκρασίας δεν υπερβαίνει το 6% της συνολικής μάζας της θερμικής προστασίας. Για σύγκριση, στα Shuttles αντιπροσωπεύει περισσότερο από το 20%.

Ο κομψός κωνικός σχεδιασμός των μέσων είναι το αποτέλεσμα αμέτρητων δοκιμών και σφαλμάτων. Σύμφωνα με τους προγραμματιστές, εάν λάβετε μόνο τα βασικά χαρακτηριστικά ενός πιθανού επαναχρησιμοποιήσιμου φορέα ενός σταδίου, θα πρέπει να εξετάσετε περίπου 16.000 συνδυασμούς τους. Εκατοντάδες από αυτά εκτιμήθηκαν από τους σχεδιαστές ενώ εργάζονταν στο έργο. «Αποφασίσαμε να εγκαταλείψουμε τα φτερά, όπως στο Buran ή στο Διαστημικό Λεωφορείο», λένε. - Σε γενικές γραμμές, στην ανώτερη ατμόσφαιρα, παρεμβαίνουν μόνο στα διαστημόπλοια. Τέτοια πλοία εισέρχονται στην ατμόσφαιρα με υπερηχητική ταχύτητα όχι καλύτερη από ένα "σίδερο" και μόνο με υπερηχητική ταχύτητα μεταβαίνουν σε οριζόντια πτήση και μπορούν να βασιστούν σωστά στην αεροδυναμική των φτερών.

Το αξονικό σχήμα κώνου όχι μόνο επιτρέπει ευκολότερη θερμική προστασία, αλλά έχει και καλή αεροδυναμική όταν οδηγείτε με πολύ υψηλές ταχύτητες. Ήδη στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, ο πύραυλος δέχεται μια ανύψωση, η οποία του επιτρέπει όχι μόνο να φρενάρει εδώ, αλλά και να κάνει ελιγμούς. Αυτό, με τη σειρά του, καθιστά δυνατή την πραγματοποίηση των απαραίτητων ελιγμών σε μεγάλο υψόμετρο, με κατεύθυνση προς το σημείο προσγείωσης, και στη μελλοντική πτήση, θα χρειαστεί μόνο να ολοκληρωθεί το φρενάρισμα, να διορθωθεί η πορεία και να στρίψετε προς τα πίσω, χρησιμοποιώντας αδύναμη μετατόπιση κινητήρες.

Θυμηθείτε τόσο το Falcon 9 όσο και το New Shepard: δεν υπάρχει τίποτα αδύνατο ή ακόμα και ασυνήθιστο στην κατακόρυφη προσγείωση σήμερα. Ταυτόχρονα, καθιστά δυνατή τη διέλευση με σημαντικά λιγότερες δυνάμεις κατά την κατασκευή και τη λειτουργία του διαδρόμου - ο διάδρομος στον οποίο προσγειώθηκαν τα ίδια Shuttles και Buran έπρεπε να έχει μήκος πολλών χιλιομέτρων για να φρενάρει το όχημα στο ταχύτητα εκατοντάδων χιλιομέτρων την ώρα. "Το CROWN, κατ 'αρχήν, μπορεί ακόμη και να απογειωθεί από μια υπεράκτια πλατφόρμα και να προσγειωθεί σε αυτήν", προσθέτει ένας από τους συντάκτες του έργου, "η τελική ακρίβεια προσγείωσης θα είναι περίπου 10 μέτρα, ο πύραυλος κατεβαίνει σε ανασυρόμενα πνευματικά αμορτισέρ. Το μόνο που μένει είναι να πραγματοποιήσετε διαγνωστικά, να ανεφοδιαστείτε με καύσιμα, να τοποθετήσετε ένα νέο ωφέλιμο φορτίο - και μπορείτε να πετάξετε ξανά.

Το KORONA εξακολουθεί να υλοποιείται ελλείψει χρηματοδότησης, επομένως οι προγραμματιστές του Makeev Design Bureau κατάφεραν να φτάσουν μόνο στα τελικά στάδια του σχεδίου σχεδίου. «Περάσαμε αυτό το στάδιο σχεδόν εξ ολοκλήρου και εντελώς ανεξάρτητα, χωρίς εξωτερική υποστήριξη. Έχουμε ήδη κάνει ό,τι θα μπορούσε να είχε γίνει, - λένε οι σχεδιαστές. - Ξέρουμε τι, πού και πότε πρέπει να παράγεται. Τώρα πρέπει να προχωρήσουμε στον πρακτικό σχεδιασμό, την παραγωγή και την ανάπτυξη βασικών μονάδων, και αυτό απαιτεί χρήματα, οπότε τώρα όλα εξαρτώνται από αυτές».

Καθυστερημένη έναρξη

Ο πύραυλος CFRP αναμένει μόνο μια εκτόξευση μεγάλης κλίμακας· μετά τη λήψη της απαραίτητης υποστήριξης, οι σχεδιαστές είναι έτοιμοι να ξεκινήσουν πτητικές δοκιμές σε έξι χρόνια και σε επτά έως οκτώ χρόνια - να ξεκινήσουν την πειραματική λειτουργία των πρώτων πυραύλων. Εκτιμούν ότι αυτό απαιτεί λιγότερα από 2 δισεκατομμύρια δολάρια - όχι πολλά από τα πρότυπα επιστήμης πυραύλων. Ταυτόχρονα, μπορεί να αναμένεται απόδοση επένδυσης μετά από επτά χρόνια χρήσης του πυραύλου, εάν ο αριθμός των εμπορικών εκτοξεύσεων παραμείνει στο σημερινό επίπεδο ή ακόμη και σε 1,5 χρόνο - εάν αυξηθεί με τους προβλεπόμενους ρυθμούς.

Επιπλέον, η παρουσία κινητήρων ελιγμών, συσκευών ραντεβού και ελλιμενισμού στον πύραυλο καθιστά δυνατό να υπολογίζουμε σε πολύπλοκα σχέδια εκτόξευσης πολλαπλών εκτοξεύσεων. Ξοδεύοντας καύσιμα όχι στην προσγείωση, αλλά στην προσθήκη του ωφέλιμου φορτίου, μπορείτε να το φέρετε σε μάζα άνω των 11 τόνων. Στη συνέχεια το CROWN θα ελλιμενιστεί με το δεύτερο, «δεξαμενόπλοιο», το οποίο θα γεμίσει τις δεξαμενές του με πρόσθετο καύσιμο απαραίτητο για την επιστροφή. Ωστόσο, πολύ πιο σημαντική είναι η επαναχρησιμοποίηση, η οποία για πρώτη φορά θα μας απαλλάξει από την ανάγκη να συλλέγουμε τα μέσα πριν από κάθε κυκλοφορία - και να τα χάνουμε μετά από κάθε κυκλοφορία. Μόνο μια τέτοια προσέγγιση μπορεί να εξασφαλίσει τη δημιουργία μιας σταθερής αμφίδρομης ροής κυκλοφορίας μεταξύ της Γης και της τροχιάς, και ταυτόχρονα την έναρξη μιας πραγματικής, ενεργητικής, μεγάλης κλίμακας εκμετάλλευσης του διαστήματος κοντά στη Γη.

Εν τω μεταξύ, το CROWN παραμένει σε κενό, οι εργασίες για το New Shepard συνεχίζονται. Ένα παρόμοιο ιαπωνικό έργο RVT αναπτύσσεται επίσης. Οι Ρώσοι προγραμματιστές μπορεί απλώς να μην έχουν αρκετή υποστήριξη για την ανακάλυψη. Εάν έχετε μερικά δισεκατομμύρια να διαθέσετε, αυτή είναι μια πολύ καλύτερη επένδυση ακόμα και από το μεγαλύτερο και πιο πολυτελές γιοτ στον κόσμο.