Verí sa, že technológie sa vždy vyvíjajú postupne, od jednoduchých k zložitým, od kamenného noža po oceľ - a až potom k programovanej frézke. Osud vesmírnej rakety sa však ukázal byť menej priamy. Vytváranie jednoduchých, spoľahlivých jednostupňových rakiet zostalo dlho pre projektantov nedostupné. Vyžadovali sa riešenia, ktoré nedokázali ponúknuť ani materiáloví vedci, ani inžinieri z oblasti inžinierstva. Nosné rakety doteraz zostali viacstupňové a jednorazové: neuveriteľne zložitý a drahý systém sa používa niekoľko minút, potom sa vyhodí
„Predstavte si, že by ste pred každým letom zostavili nové lietadlo: trup by ste spojili s krídlami, položili elektrické káble, nainštalovali by ste motory a po pristátí by ste ho poslali na skládku … Neletíte ďaleko ako to, “povedali nám vývojári Štátneho raketového centra. Makeeva. "Ale to je presne to, čo robíme vždy, keď posielame náklad na obežnú dráhu." Samozrejme, v ideálnom prípade by každý chcel mať spoľahlivý jednostupňový „stroj“, ktorý nevyžaduje montáž, ale príde na kozmodróm, natankuje palivo a spustí sa. A potom sa to vráti a začne znova - a znova „…
V polovici cesty
Raketa sa celkovo snažila obísť jednu fázu od prvých projektov. V počiatočných náčrtoch Tsiolkovského sa objavujú práve také štruktúry. Od tejto myšlienky upustil až neskôr, pretože si uvedomil, že technológie začiatku dvadsiateho storočia nedovoľujú realizovať toto jednoduché a elegantné riešenie. Záujem o jednostupňové nosiče opäť vznikol v 60. rokoch minulého storočia a na oboch stranách oceánu sa vypracúvali takéto projekty. V sedemdesiatych rokoch minulého storočia už USA pracovali na jednostupňových raketách SASSTO, Phoenix a niekoľkých riešeniach založených na S-IVB, treťom stupni nosnej rakety Saturn V, ktorý dopravil astronautov na Mesiac.
"Takáto možnosť by sa nelíšila v únosnosti, motory na to neboli dosť dobré, ale stále by to bola jedna etapa, schopná lietať na obežnú dráhu," pokračujú inžinieri. „Samozrejme, ekonomicky by to bolo úplne neopodstatnené.“Kompozity a technológie na prácu s nimi sa objavili až v posledných desaťročiach, čo umožňuje, aby bol nosič jednostupňový a navyše opakovane použiteľný. Náklady na takú „vedecky náročnú“raketu budú vyššie ako náklady na tradičný dizajn, ale budú „rozložené“na mnohé štarty, takže štartovacia cena bude oveľa nižšia, ako je obvyklá úroveň.
Práve opätovná použiteľnosť médií je dnes hlavným cieľom vývojárov. Systémy Space Shuttle a Energia-Buran boli čiastočne opakovane použiteľné. Opakované použitie prvého stupňa sa testuje na raketách SpaceX Falcon 9. SpaceX už uskutočnilo niekoľko úspešných pristátí a koncom marca sa pokúsia vypustiť jednu zo stupňov, ktoré opäť leteli do vesmíru. "Podľa nášho názoru tento prístup môže len diskreditovať myšlienku vytvorenia skutočného opakovane použiteľného média," poznamenáva Makeev Design Bureau. „Takúto raketu musíte ešte po každom lete vytriediť, nainštalovať prípojky a nové jednorazové súčiastky … a sme opäť tam, kde sme začali.“
Plne opakovane použiteľné médiá sú zatiaľ len vo forme projektov - výnimkou je New Shepard americkej spoločnosti Blue Origin. Zatiaľ je raketa s kapsulou s posádkou navrhnutá iba na suborbitálne lety vesmírnych turistov, ale väčšinu riešení nájdených v tomto prípade je možné ľahko upraviť aj na vážnejší orbitálny nosič. Zástupcovia spoločnosti neskrývajú svoje plány na vytvorenie takejto možnosti, pre ktorú sa už vyvíjajú výkonné motory BE-3 a BE-4. „S každým suborbitálnym letom sa blížime k obežnej dráhe,“ubezpečil Blue Origin. Ale ich sľubný nosič New Glenn tiež nebude úplne opakovane použiteľný: iba prvý blok, vytvorený na základe už testovaného dizajnu New Shepard, by mal byť znovu použitý.
Materiálová odolnosť
Materiály CFRP potrebné pre plne opakovane použiteľné a jednostupňové rakety sa používajú v leteckej technológii od 90. rokov minulého storočia. V tých istých rokoch začali inžinieri spoločnosti McDonnell Douglas rýchlo implementovať projekt Delta Clipper (DC-X) a dnes sa môžu pochváliť hotovým a lietajúcim nosičom uhlíkových vlákien. Bohužiaľ, pod tlakom spoločnosti Lockheed Martin boli práce na DC-X prerušené, technológie boli prenesené do NASA, kde sa ich pokúsili použiť pre neúspešný projekt VentureStar, po ktorom mnoho inžinierov zapojených do tejto témy začalo pracovať v Blue Origin, a samotnú spoločnosť prevzal Boeing.
V rovnakých 90. rokoch sa o túto úlohu začala zaujímať ruská SRC Makeev. Od tej doby prešiel projekt KORONA („Vesmírna raketa, jednostupňový nosič [vesmírnych] vozidiel“) znateľným vývojom a stredné verzie ukazujú, ako bol dizajn a usporiadanie stále jednoduchšie a dokonalejšie. Vývojári postupne upúšťali od zložitých prvkov - ako sú krídla alebo vonkajšie palivové nádrže - a prišli na to, že hlavným materiálom tela by mali byť uhlíkové vlákna. Spolu so vzhľadom sa menila hmotnosť aj nosnosť. "S použitím aj tých najlepších moderných materiálov nie je možné postaviť jednostupňovú raketu s hmotnosťou menej ako 60-70 ton, pričom jej užitočné zaťaženie bude veľmi malé," hovorí jeden z vývojárov. - Ako však počiatočná hmota rastie, štruktúra (do určitej hranice) má stále menší podiel a jej používanie je stále výnosnejšie. Pre orbitálnu raketu je toto optimum asi 160-170 ton, od tohto rozsahu je už jeho použitie opodstatnené. “
V najnovšej verzii projektu KORONA je štartovacia hmotnosť ešte vyššia a blíži sa k 300 ton. Takáto veľká jednostupňová raketa vyžaduje použitie vysoko účinného prúdového motora na kvapalné palivo pracujúceho na vodík a kyslík. Na rozdiel od motorov v oddelených stupňoch musí byť taký raketový motor na kvapalné palivo schopný pracovať vo veľmi odlišných podmienkach a v rôznych výškach vrátane vzletu a letu mimo atmosféru. "Konvenčný motor na kvapalné palivo s tryskami Laval je účinný iba v určitých nadmorských výškach," vysvetľujú dizajnéri Makeevky, "preto sme dospeli k potrebe použiť klinový vzduchový raketový motor." Plynný prúd v týchto motoroch sa prispôsobuje tlaku „cez palubu“a zachováva si účinnosť na povrchu aj vysoko v stratosfére.
Doteraz na svete neexistuje funkčný motor tohto typu, aj keď sa nimi zaoberal a zaoberá ako u nás, tak v USA. V šesťdesiatych rokoch inžinieri Rocketdyne testovali takéto motory na stojane, ale neprišli na inštaláciu na rakety. CROWN by mal byť vybavený modulárnou verziou, v ktorej je klinovo-vzduchová tryska jediným prvkom, ktorý zatiaľ nemá prototyp a nebol testovaný. V Rusku existujú aj všetky technológie na výrobu kompozitných dielov - boli vyvinuté a úspešne sa používajú napríklad na All -Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) a na OJSC „Kompozit“.
Zvislé uloženie
Pri lietaní v atmosfére bude plastová konštrukcia CORONA vystužená uhlíkovými vláknami pokrytá škridlami chrániacimi teplo, ktoré vyvinula spoločnosť VIAM pre Burany a od tej doby sa výrazne zlepšila."Hlavné tepelné zaťaženie našej rakety sa sústreďuje na jej" nos ", kde sa používajú vysokoteplotné prvky tepelnej ochrany, - vysvetľujú návrhári. - V tomto prípade majú rozpínajúce sa strany rakety väčší priemer a zvierajú ostrý uhol s prúdením vzduchu. Tepelné zaťaženie je menšie, čo umožňuje použitie ľahších materiálov. Výsledkom je, že sme ušetrili viac ako 1,5 t. Hmotnosť vysokoteplotnej časti nepresahuje 6% z celkovej hmotnosti tepelnej ochrany. Na porovnanie, predstavuje to viac ako 20% raketoplánov. “
Elegantný zúžený dizajn médií je výsledkom nespočetných pokusov a omylov. Podľa vývojárov, ak vezmete iba kľúčové charakteristiky možného opakovane použiteľného jednostupňového nosiča, budete musieť zvážiť asi 16 000 ich kombinácií. Stovky z nich projektanti pri práci na projekte ocenili. "Rozhodli sme sa opustiť krídla, ako na Burane alebo v raketopláne," hovoria. - Celkovo v horných vrstvách atmosféry zasahujú iba do kozmických lodí. Takéto lode vstupujú do atmosféry nadzvukovou rýchlosťou nie lepšie ako „železo“a až pri nadzvukovej rýchlosti sa prepnú na horizontálny let a môžu sa poriadne spoľahnúť na aerodynamiku krídel. “
Osový symetrický tvar kužeľa umožňuje nielen jednoduchšiu tepelnú ochranu, ale má aj dobrú aerodynamiku pri jazde veľmi vysokou rýchlosťou. Už vo vyšších vrstvách atmosféry raketa dostáva zdvih, ktorý jej umožňuje nielen tu zabrzdiť, ale aj manévrovať. To zase umožňuje vykonať potrebné manévre vo vysokej nadmorskej výške, smerujúce k miestu pristátia, a v budúcom lete zostáva iba dokončiť brzdenie, opraviť kurz a zabočiť dole, pomocou slabých manévrovacích motorov.
Pripomeňme si Falcon 9 aj New Shepard: na vertikálnom pristávaní dnes nie je nič nemožné ani neobvyklé. Súčasne umožňuje obísť sa s výrazne menšími silami pri stavbe a prevádzke dráhy - pristávacia dráha, na ktorej pristáli tí istí Shuttles a Buran, musela mať dĺžku niekoľko kilometrov, aby bolo možné vozidlo zabrzdiť pri rýchlosť stovky kilometrov za hodinu. "CROWN v zásade môže dokonca vzlietnuť z pobrežnej plošiny a pristáť na nej," dodáva jeden z autorov projektu, "konečná presnosť pristátia bude asi 10 m, raketa sa spustí na zaťahovacie pneumatické tlmiče.” Zostáva už len vykonať diagnostiku, natankovať, vložiť nové užitočné zaťaženie - a môžete opäť lietať.
KORONA sa stále realizuje bez financovania, takže vývojárom Makeev Design Bureau sa podarilo dostať iba do záverečných fáz návrhu návrhu. "Túto fázu sme prešli takmer úplne a úplne nezávisle, bez vonkajšej podpory." Už sme urobili všetko, čo sa dalo urobiť, - hovoria návrhári. - Vieme, čo, kde a kedy by sa malo vyrábať. Teraz musíme prejsť k praktickému návrhu, výrobe a vývoju kľúčových jednotiek, a to si vyžaduje peniaze, takže teraz všetko závisí od nich. “
Oneskorený štart
Raketa CFRP očakáva iba spustenie veľkého rozsahu; po získaní potrebnej podpory sú konštruktéri pripravení začať letové testy o šesť rokov a o sedem až osem rokov - začať experimentálnu prevádzku prvých rakiet. Odhadujú, že to vyžaduje menej ako 2 miliardy dolárov - podľa raketových štandardov málo. Návratnosť investície je zároveň možné očakávať po siedmich rokoch používania rakety, ak počet komerčných štartov zostane na súčasnej úrovni alebo dokonca za 1,5 roka - ak bude rásť podľa predpokladaných sadzieb.
Prítomnosť manévrovacích motorov, stretnutí a dokovacích zariadení na rakete navyše umožňuje počítať so zložitými schémami štartu na viac štartov. Po vyhorení paliva nie na pristátie, ale na dokončenie užitočného zaťaženia je možné ho priviesť na hmotnosť viac ako 11 ton. Potom CROWN zakotví s druhým „tankerom“, ktorý do svojich nádrží naplní ďalšie palivo nevyhnutné pre návrat. Ale stále oveľa dôležitejšia je opätovná použiteľnosť, ktorá nás prvýkrát zbaví potreby zbierať médiá pred každým spustením - a po každom spustení o ne prísť. Iba takýto prístup môže zaistiť vytvorenie stabilného obojsmerného dopravného toku medzi Zemou a obežnou dráhou a zároveň začiatok skutočného, aktívneho, rozsiahleho využívania vesmíru v blízkosti Zeme.
CROWN medzitým zostáva v limbe, práce na New Sheparde pokračujú. Podobný japonský projekt RVT sa tiež vyvíja. Ruskí vývojári jednoducho nemusia mať dostatočnú podporu na prelom. Ak máte pár miliárd k dispozícii, je to oveľa lepšia investícia ako dokonca najväčšia a najluxusnejšia jachta na svete.
