Pokus č. 2. Americká raketa LEGO

Pokus č. 2. Americká raketa LEGO
Pokus č. 2. Americká raketa LEGO

Video: Pokus č. 2. Americká raketa LEGO

Video: Pokus č. 2. Americká raketa LEGO
Video: How Does a Nuclear Thermal Propulsion Rocket Work? 2024, Marec
Anonim
Obrázok
Obrázok

Myslím si, že mnoho nadšencov astronautiky, ktorí sa aktívne zaujímajú o históriu a súčasný stav v oblasti prieskumu a prieskumu vesmíru, už spoznali raketu zachytenú na titulnej fotografii.

Táto raketa, alebo skôr raketový posilňovač, je najväčšou raketou na tuhé palivo, akú kedy ľudstvo vytvorilo.

Teraz je toho ešte viac.

Toto je bočný posilňovač systému Space Shuttle, ktorý sa teraz stal ešte väčším, pretože okrem štandardných štyroch sekcií, s ktorými raketoplán štartoval, získal dodatočnú piatu sekciu, ktorá mu umožní stať sa raketou. posilňovač nového superťažkého vesmírneho štartového systému NASA s názvom SLS (Space Launch System).

Práve tento systém by mal podľa myšlienky NASA vrátiť Spojeným štátom americkým dlaň vo všetkých aspektoch prieskumu vesmíru a zároveň dať celému ľudstvu príležitosť vrátiť sa na vesmírnu hranicu, čím sa konečne prelomí začarovaný kruh nízkej Zeme obežná dráha a zaradenie otázky lunárneho prieskumu späť na program dňa … a dokonca aj Mars.

Ako skutočný a uskutočniteľný je tento ambiciózny program? Skúsme na to prísť.

Obrázok
Obrázok

Porovnávacie veľkosti historických, súčasných a rozvinutých amerických spúšťacích systémov.

Doplňujúca otázka: prečo je Delta IV väčšia ako Falcon 9?

Súčasný stav americkej kozmonautiky po opustení arény systému Space Shuttle je dosť poľutovaniahodný: najťažším nosným vozidlom, ktoré majú Spojené štáty k dispozícii v súvislosti so svojim súčasným stavom, je Delta IV Heavy, ktoré môže zaťaženie 28 znížiť na minimum. Obežná dráha Zeme (LEO), 4 tony.

Rodina Delta IV sa napriek množstvu návrhárskych, inžinierskych a komerčných snáh spoločnosti Boeing o vytvorenie a propagáciu svojich potomkov na trhu ukázala byť „v zlom čase a na zlom mieste“: na pozadí nízkych nákladov na štarty ruskej rakety Proton a Pre ukrajinský Zenit-3SL sa náklady na spustenie užitočného zaťaženia pomocou Delty IV ukázali ako dosť nedostupné.

Jedno spustenie „Delta IV“stálo 140-170 miliónov dolárov, pričom náklady na podobné užitočné zaťaženie Protonu boli asi 100 miliónov dolárov a náklady na uvedenie menšieho, ale konkurencieschopného ukrajinského „Zenith-3SL“„Delta IV“bol ešte nižší - iba 60 miliónov dolárov.

Také vysoké náklady na spustenie Delty IV prinútili Boeing hľadať preň výlučne vládne objednávky a v dôsledku toho boli všetky štarty Delty, okrem jedného, hradené z rozpočtu amerického ministerstva zahraničia.

Obrázok
Obrázok

Uvedenie nosnej rakety Delta IV na trh vo variante Heavy. Štartovacia hmotnosť je asi 733 ton.

Nakoniec, v polovici dvadsiatych rokov minulého storočia, Delta IV konečne vypadla z komerčného segmentu štartov vesmíru - a nikdy sa tam nemohla vrátiť až do súčasnej doby, keď začali chlapci zo súkromného obchodu SpaceX, ktorého raketa Falcon začala. šliapať na päty. 9 sa taktiež dostala blízko trhového výklenku „Delta IV“a úprava tej istej rakety s názvom Falcon 9 Heavy, plánovanej na štart v roku 2015, ju dokonca prekonala.

Obrázok
Obrázok

Na štarte Falconu 9 Heavy bude naraz zapnutých 27 motorov Merlin s ťahom 66 ton, poháňaných petrolejom a kyslíkom.

Toto myšlienkové dielo Elona Muska by malo priviesť „súkromný“vesmírny program SpaceX do predtým nedosiahnuteľnej výšky: pre jednorazovú verziu nosnej rakety bude hmotnosť prepravovaného nákladu do LEO až 53 ton, podľa GPO - 21, 2 tony a na trajektórii na Mars - 13, 2 tony. Keď sa vrátia bočné posilňovače a centrálna jednotka, nosnosť nepresiahne 32 ton na LEO - za opätovné použitie nosnej rakety musíte zaplatiť dodatočnú spotrebu paliva a v dôsledku toho zníženie užitočného zaťaženia.

Medzi technické inovácie počas vývoja Falconu 9 Heavy vývojár deklaroval jedinečnú možnosť pretečenia paliva a okysličovadla počas letu z bočných zosilňovačov do prvého stupňa nosnej rakety, čo umožní mať v strede plné palivové nádrže sekcii v čase oddelenia bočných zosilňovačov a zlepšiť výkon užitočného zaťaženia umiestneného na obežnú dráhu ….

Obrázok
Obrázok

Zostavenie trupov prvých stupňov rakiet Falcon 9. Teraz je v motore nainštalovaných 8 motorov s jedným centrálnym. V preplnenom, ale nie šialenom.

„Dráha na Mars“uvedená v poslednom odseku nie je abstrakciou. S hmotnosťou štartu 1 462 ton, čo je dvojnásobok hmotnosti v súčasnosti rekordnej Delty IV, je ťažký Falcon už tým nevyhnutným krokom, ktorý vám umožní vážne premýšľať o letoch na Mesiac a Mars. Aj keď v konfigurácii sa viac podobá na sovietske experimenty s prístrojom série Probe ako na kolosálny americký program Saturn-Apollo.

Avšak v budúcnosti sa cesta nahor konceptu „Delta IV“a Falconu 9 s bočnými posilňovačmi, ktoré sú „klonmi“ich prvých etáp, začína podľa očakávania šmýkať.

Ide o to, že nie je možné vynásobiť počiatočné „bočné steny“, ktoré vám umožňujú zvýšiť hmotnosť výstupného zaťaženia na LEO do nekonečna - dva alebo štyri bočné bloky je stále možné nejako pripojiť k centrálnemu, ale potom zložitosť montáže a riadenia takejto viaczložkovej štruktúry len exponenciálne rastie.

Na to vo všeobecnosti „zaspala“lunárna raketa Korolev N-1, ktorá mala v prvom stupni 30 raketových motorov NK-33, čo v spojení s päťstupňovou schémou samotnej rakety urobilo neumožňujú vypracovať do konca všetky otázky týkajúce sa jeho bezproblémového spustenia.

Súčasná konfigurácia Falconu 9, začínajúca okamžite s 27 motormi, sa už blíži k hranici zložitosti a ďalej, s najväčšou pravdepodobnosťou, spoločnosť Elona Muska už bude musieť zvýšiť hmotnosť a veľkosť jednej raketovej jednotky, čo okamžite zvyšuje požiadavky v celom reťazci výroby, dopravy a štartu rakiet.

Ruská nádejná raketová rodina „Angara“bude pravdepodobne čeliť podobným problémom. Malá relatívna veľkosť jednotkového bloku už vedie k tomu, že raketa Angara-A5 s počiatočnou hmotnosťou 733 ton musí okamžite dať štyri pomocné „strany“(s nosnosťou 24,5 tony na LEO).

Obrázok
Obrázok

Angara-A5 pred štartom 23. decembra 2014. Na začiatku pracovalo päť motorov RD-191, každý s ťahom 196 ton.

Ďalšie zvýšenie nosnosti Angary spočíva v skutočnosti, že k základnej časti druhého stupňa nie je potrebné pripevniť štyri, ale šesť raketových zosilňovačov, čo je už pravdepodobne druh štrukturálneho a technického obmedzenia škálovania paketových systémov., keďže limitom pre koncept Falcon 9 je 27 motorov Merlin-1D na troch štartovacích blokoch.

Výsledný projekt Angara-A7 bude podľa výpočtov schopný s vlastnou štartovacou hmotnosťou 1370 ton priniesť užitočné zaťaženie 50 ton do LEO (v prípade použitia vodíkového paliva v druhom stupni), čo bude s najväčšou pravdepodobnosťou byť maximálnym zmenšením raketového konceptu rodiny Angara.

Obrázok
Obrázok

Porovnanie „Angara A5“a konceptov „Angara A7“- s petrolejom a vodíkovým palivom. Zároveň je tu odpoveď - prečo je „Delta IV“veľký a Falcon 9 - malý.

Vo všeobecnosti, čokoľvek je možné povedať, koncepty založené na raketovom bloku triedy 200 alebo dokonca 400 ton - stále sa ukazuje, že konštrukčný a inžiniersky karachunský limit pre takéto „paketové“rakety má štartovaciu hmotnosť v oblasti 1 300 - 1500 ton, čo zodpovedá odobratej hmotnosti 45-55 ton na LEO.

Potom je však už potrebné zvýšiť ťah jedného motora a veľkosť raketového stupňa alebo akcelerátora.

A to je práve cesta, ktorou sa dnes projekt SLS uberá.

Po prvé, s prihliadnutím na negatívne skúsenosti s „Delta IV“, sa vývojári SLS pokúsili čo najlepšie využiť minulosť. Použilo sa všetko a každý: raketové posilňovače Space Shuttle, ktoré boli posilnené za účelom vytvorenia ťažkej rakety, a staré vodíkovo-kyslíkové motory RS-25 samotného raketoplánu, ktoré boli nainštalované v druhom stupni, a ….. (zástancovia teórie „lunárneho sprisahania“-pripravte sa!) dávno zabudnuté vodíkovo-kyslíkové motory J-2X, ktoré pochádzajú z motorov druhého a tretieho stupňa lunárnej rakety „Saturn V“a ktoré sú navrhnuté na byť použité v projektovaných horných stupňoch SLS!

Dlhodobé plány na zlepšenie akcelerátorov SLS navyše predpokladajú dva konkurenčné projekty využívajúce namiesto tuhých palív raketové motory na kvapalné palivo: projekt spoločnosti Aerojet, ktorá do budúcnosti predstavila svoj vyvinutý petrolejovo-kyslíkový motor uzavretého cyklu AJ1E6. „ťažký“nosič, ktorý pochádza z rakiet NK-33 Royal H-1- a projekt spoločnosti Pratt & Whitney Rocketdine, ktorý navrhuje … (a opäť prekvapenie, lunosceptika!) Obnoviť v USA produkciu F -1 motory, ktoré svojho času zdvihli zo Zeme známu raketu Saturn V.

Obrázok
Obrázok

Snáď sa život vráti do týchto testovacích lavíc. Testovanie prvej etapy LV „Saturn V“- „Saturn 1C“v auguste 1968 na kyklopskej skúšobnej stolici V -2. Upozorňujeme, že schodisko sa prepravuje na člne.

Podieľa sa na vývoji budúceho sľubného urýchľovača štartu a súčasného výrobcu zosilňovačov tuhých palív, ktoré sú pri počiatočnej montáži nosnej rakety SLS Block I - ATK (Alliant Techsystems), ktorá navrhla ďalšie rozšírenie existujúceho posilňovača raketoplánu zväčšením jeho dĺžky a priemeru … Projekt sľubného akcelerátora od ATK sa nazýva „Temný rytier“.

Ako čerešnička na torte - jedna z budúcich konfigurácií systému SLS, blok Ib, zahŕňa použitie jednotky vodíka a kyslíka ako tretieho stupňa, požičaného od … rakety Delta IV!

Toto je „pekelné LEGO“, v ktorom sa NASA pokúsila vyhodnotiť, skombinovať a využiť všetok existujúci vývoj v oblasti ťažkých rakiet.

Čo je rodina médií SLS? Koniec koncov, ako si už pamätáme z príkladu „Delta IV“, „Hangars“a Falcon 9 - celkové rozmery môžu klamať.

Tu je teda jednoduchý diagram na pochopenie toho, čo je zamýšľané:

Obrázok
Obrázok

Na ľavej strane diagramu sú ťažké nosné rakety, ktoré USA stále mali. Lunárny Saturn V, ktorý by mohol priniesť LEO užitočné zaťaženie 118 ton, a Space Shuttle, ktorý zdanlivo dostal samotný opakovane použiteľný raketoplán na obežnú dráhu s hmotnosťou od 120 do 130 ton, ale zároveň s ním dokázal dodať iba veľmi skromné užitočné zaťaženie - iba 24 ton užitočného zaťaženia.

Koncept SLS bude implementovaný v dvoch základných verziách: s posádkou (bez posádky) a bez posádky (s nákladom).

Navyše nedostupnosť troch sľubných projektov raketových posilňovačov od spoločností Aerojet, Rocketdine a ATK núti NASA používať tie „súčasti rakety LEGO“, ktoré sú k dispozícii - konkrétne tieto päťsekcionálne vylepšené posilňovače raketoplánu.

Takto postavený prechodný „ersatz-carrier“(oficiálne nazývaný SLS Block I), napriek tomu už podľa všetkých výpočtov bude mať oveľa vážnejšiu nosnosť ako prevádzková „Delta IV“alebo Falcon 9 Heavy, ktorá je pripravené na spustenie. Nosná raketa SLS Block I bude schopná zdvihnúť na LEO užitočné zaťaženie 70 ton.

V porovnaní s konceptom SLS je zobrazený zastavený vývoj NASA v rámci programu Constellation - nosná raketa Ares (Mars), ktorá ešte nebola vytvorená až do konca, ktorá v roku 2009 uskutočnila iba jeden testovací let, v prevedení Ares 1X, ktorý pozostával z rovnako upraveného štvordielneho akcelerátora Space Shuttle, na ktorý bolo napojené testovacie nakladanie piateho segmentu a prototypové zaťaženie druhého stupňa. Účelom tohto skúšobného letu bolo skontrolovať činnosť prvého stupňa tuhého paliva v usporiadaní „single stick“(„log“), avšak počas skúšok, keď boli 1. a 2. stupeň oddelené, sa niečo muselo stať, došlo k neoprávnenému skoku vpred v 1. etape, ktorý bol pravdepodobne spôsobený dodatočným spálením úlomkov paliva odtrhnutých nárazom v ňom. Posilňovač tuhých palív nakoniec stihol rozloženie 2. stupňa a vrazil ho.

Potom bol v NASA obmedzený pomerne neúspešný pokus zostaviť „nové LEGO“zo starých častí, projekt Ares a samotné súhvezdie boli odložené na poličku neúspešných konceptov a od vyvinutých základov v rámci súhvezdia., zostala len celkom úspešná orbitálna pilotovaná kozmická loď. „Orion“, ktorý bol zostrojený podľa schémy návratovej kapsuly obvyklej pre jednorazové lode, ktorá konečne ukončila opakovane použiteľný klzák raketoplánu.

Obrázok
Obrázok

Kozmická loď Orion pred prvým štartom na rakete Delta IV. December 2014.

Priemer kozmickej lode Orion je 5,3 metra, hmotnosť kozmickej lode je asi 25 ton. Vnútorný objem Orionu bude 2,5 -krát väčší ako vnútorný objem kozmickej lode Apollo. Objem kabíny lode je asi 9 m³. Vďaka takej pôsobivej hmotnosti pre orbitálnu kozmickú loď a voľnému vnútornému objemu môže Orion počas misií blízko Zeme na nízkych obežných dráhach (napríklad na expedícii na ISS) podporovať 6 kozmonautov.

Ako však už bolo spomenuté na začiatku, hlavnou úlohou Orionu, ktorá by ho mala dostať na obežné dráhy mimo nízko referenčného štartovacieho systému SLS, je návrat USA k úlohám zvládnutia vzdialeného priestoru blízko Zeme a v prvom rade, Mesiac a Mars.

Práve na let na Mesiac a prípadne na Mars sa počíta s hlavným úsilím USA a Ruska pri zlepšovaní ich vesmírnych lodí a nosných rakiet.

Tu sa v zásade vo vhodnej tabuľkovej forme analyzuje rozdiel medzi americkým „Orion“a ruským systémom PPTS.

Na názov PPKS PPTS musíte, samozrejme, niekoho hneď poraziť, ale dobre. A vôbec, bohužiaľ, s projektom PPTS je zatiaľ všetko veľmi ťažké.

Preto pokiaľ ide o PPTS, máme z výstavy zatiaľ iba vtipné obrázky. V skutočnosti sa však doteraz urážalo málo …

Pokus č. 2. Americká raketa LEGO
Pokus č. 2. Americká raketa LEGO

Existuje iba model - medzi minulosťou a budúcnosťou. Existuje iba model - a držte sa ho …

Okrem problémov s financovaním, nepochopenia konceptu a mnohých problémov s projektovaním a inžinierstvom je budúcnosť PTS neistá a je spôsobená nedostatkom nosnej rakety na niektoré z jej plánovaných úloh. Ako som povedal, Rusko má zatiaľ v kove iba „Angara-A5“, čo môže do LEO priniesť nie viac ako 24,5 tony, čo je dosť na misie v blízkosti Zeme, ale absolútne to nestačí na ďalší útok na Mesiac alebo Mars.

Koncept PPTS bol navyše založený na vytvorení alternatívy k rakete „Angara“rodiny „Rus-M“, na ktorej prácach sa zatiaľ tiež pracovalo.

Obrázok
Obrázok

Projekty rakiet rodiny „Rus“iba v porovnaní s rodinami „Sojuz“a „Angara“.

Hlavným účelom rakiet rodiny Rusov bolo poskytovať lety s posádkou, vďaka čomu má raketa za rovnakých okolností nižšie užitočné zaťaženie na LEO ako rakety Angara. Je to spôsobené skutočnosťou, že počas letov s posádkou je jednou z požiadaviek schopnosť nosnej rakety opustiť štart, aj keď zlyhá jeden z motorov, a požiadavka zabezpečiť pokračovanie letu v prípade následnej poruchy jedného z motorov - s pokračovaním štartu kozmickej lode na zníženú obežnú dráhu alebo poskytnutím záchrany a bezpečného pristátia.

Tieto požiadavky vrátane špeciálnej trajektórie štartu, ktorá by mala poskytnúť posádke preťaženie maximálne 12 g pre všetky núdzové situácie a prítomnosť núdzového záchranného systému (SAS), vedú k významnému zníženiu nosnosti lietadla Rus “v pilotovanej verzii.

Okrem toho bol konštrukčný priemer základného bloku „Rus“3, 8 metra zvolený na základe tradičnej prepravy častí nosných rakiet ZSSR a Ruska po železnici.

V USA zámerne, počnúc programom Saturn-Apollo, boli prvé etapy nosných rakiet vyrobené na základe vhodnej veľkosti, pričom sa zohľadnila možnosť ich prepravy vodnou (pobrežnou a riečnou) dopravou, čo výrazne zjednodušil požiadavky na rozmery samostatnej raketovej jednotky …

Obrázok
Obrázok

Preprava prvého stupňa Saturn V LV na lodi Pearl River.

Dnes sú práce na SLS a Orion, aj po páde súhvezdia, v plnom prúde.

S dokončením bloku SLS I, ktorý bude takmer výlučne založený na existujúcich nevybavených raketoplánoch, plánuje NASA prejsť na ďalšiu, oveľa ambicióznejšiu fázu - blok SLS II, s medzizastávkami vo forme bloku SLS Ia a Blok SLS Ib.

Obrázok
Obrázok

Možnosť stavania LEGO, ak sú raketové posilňovače pripravené skôr. Blok I, blok Ia a potom blok II.

Obrázok
Obrázok

Možnosť zostavenia LEGO, ak je upravený tretí stupeň pripravený skôr. Blok I, blok Ib a potom blok II.

Nosná raketa SLS Block Ia by už mala dostať jeden zo sľubných posilňovačov štartu rakety: buď od spoločnosti Aerojet na uzavretom cykle petrolej-kyslík AJ1E6, alebo od spoločnosti Rocketdyne na upravenom otvorenom cykle F-1 od Saturnu V, alebo to isté na novom tuhé palivo „Čierny rytier“od ATK.

Každá z týchto možností bude schopná poskytnúť štruktúre Block Ia nosnosť v oblasti LEO 105 ton, ktorá je už porovnateľná s nosnosťou Saturnu V a raketoplánu (ak to počítame spolu s raketoplánom)).

Rovnaké úlohy bude vyriešené vytvorením veľkého rozsahu a prispôsobeným veľkosti celého štartovacieho systému tretieho kryogénneho stupňa, ktorý bude schopný doplniť dvojstupňový systém Block I (štartovacie zosilňovače a centrálny stupeň) na motoroch Space Shuttle) s tretím stupňom, ktorý pre variant Block Ia bude ako ja už spomínaný, požičaný z rakety Delta IV a tiež poskytne SLS s výkonom až 105 ton užitočného zaťaženia pre LEO.

Konečný systém Block II by už mal mať plnohodnotný, sériovo vyrábaný tretí stupeň SLS, ktorý bude používať, podobne ako druhý stupeň Saturn V, 5 pokročilých motorov J-2X a dodá 130 ton užitočného zaťaženia LEO.

Ale aj napriek všetkým týmto trikom bude také „vesmírne LEGO“stáť asi 500 miliónov dolárov za štart, čo je samozrejme menej ako náklady na spustenie raketoplánu (1,3 miliardy dolárov), ale napriek tomu - dostatočne citlivé pre rozpočet NASA.

Aké úlohy by mala SLS riešiť a prečo NASA neberie do úvahy možnosť Falcon 9 Heavy, ktorá má podľa predpokladov poskytnúť náklady na 135 miliónov dolárov za jednorazový systém prenosu paliva a za 53 ton užitočného zaťaženia pre LEO?

Ide o to, že NASA sa zamerala na Mesiac, Mars a dokonca aj na asteroidy a satelity Jupitera! A Falcon 9 Heavy sa na tieto úlohy ukazuje ako príliš malá raketa …

Obrázok
Obrázok

Jadrová raketa na Mars!

Ale to je, samozrejme, téma pre dobrý samostatný článok….

PS. Po opätovnom prečítaní môjho článku hlásim.

Ak kritizujem moderné ruské prístupy k prieskumu vesmíru a chválim Američanov, existujú na to dobré dôvody.

V roku 2010 bol stav amerického programu prieskumu vesmíru žalostný: program raketoplánu bol už naplánovaný na ukončenie, štarty Ares ukázali úplnú nekonzistentnosť myšlienok súhvezdia, všetky americké noviny a časopisy písali o „ruskom vesmírnom otroctve“pre Spojené štáty.

Ale za posledných 5 rokov sa americký vesmírny priemysel preskupil, získal potrebné finančné prostriedky - a naučil sa žiť v nových, drsnejších podmienkach.

Bude sa tým môcť ruská kozmonautika pochváliť o 5 rokov - najmä na pozadí skutočnosti, že tento rok nám prináša neradostné správy o ukončení programov Rus -M a PPTS LV, o odložení spustenia kozmodrómu Vostočnyj a celkové zníženie financovania Roscosmosu?

Počkaj a uvidíš. Krížkom nám držíme prsty.

Odporúča: