Russisk rum

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Det menes, at teknologier altid udvikler sig gradvist, fra simpelt til komplekst, fra stenkniv til stål - og først derefter til en programmeret fræsemaskine. Skæbnen for rumraketer viste sig dog ikke at være så ligetil. Skabelsen af enkle, pålidelige enkelttrinsmissiler forblev i lang tid utilgængelige for designere.

Der krævedes løsninger, som hverken materialeforskere eller motoringeniører kunne tilbyde. Indtil nu forbliver løfteraketter i flere trin og kan engangsbruges: Et utroligt komplekst og dyrt system bruges i et par minutter og smides derefter væk.

"Forestil dig, at du før hver flyvning ville samle et nyt fly: du ville forbinde flykroppen til vingerne, lægge elektriske kabler, installere motorerne, og efter landing ville du sende det til et skrot … Du kan ikke flyve så langt ", fortalte udviklerne af State Missile Center os. Makeeva. "Men det er præcis, hvad vi gør, hver gang vi sender gods i kredsløb. Selvfølgelig vil alle ideelt set gerne have en pålidelig et-trins "maskine", der ikke kræver montering, men ankommer til kosmodromen, tankes op og lanceres. Og så kommer det tilbage og starter igen - og igen "…

På halvvejs

I det store og hele forsøgte rocketry at klare sig med en etape fra de tidligste projekter. I de indledende skitser af Tsiolkovsky optræder netop sådanne strukturer. Han forlod denne idé først senere, idet han indså, at teknologierne i det tidlige tyvende århundrede ikke tillod at realisere denne enkle og elegante løsning. Interessen for enkelttrinsskibe opstod igen i 1960'erne, og sådanne projekter blev arbejdet på begge sider af havet. I 1970'erne arbejdede USA på et-trins raketter SASSTO, Phoenix og flere løsninger baseret på S-IVB, den tredje fase af Saturn V løfteraket, som leverede astronauter til månen.

CORONA skal blive robot og modtage intelligent software til styresystemet. Softwaren vil være i stand til at opdatere direkte under flyvning, og i en nødsituation vil den automatisk "rulle tilbage" til den stabile backup-version.

"Sådan en mulighed ville ikke adskille sig i bæreevne, motorerne var ikke gode nok til dette, men det ville stadig være et trin, ganske i stand til at flyve i kredsløb," fortsætter ingeniørerne. "Selvfølgelig ville det økonomisk være fuldstændig uberettiget." Kompositter og teknologier til at arbejde med dem er kun dukket op i de seneste årtier, hvilket gør det muligt at gøre bæreren en-trins og desuden genanvendelig. Omkostningerne ved en sådan "videnskabsintensiv" raket vil være højere end ved et traditionelt design, men den vil blive "spredt ud" over mange opsendelser, så opsendelsesprisen bliver væsentligt lavere end det sædvanlige niveau.

Det er mediegenanvendelighed, der er hovedmålet for udviklere i dag. Rumfærgen og Energia-Buran-systemerne var delvist genbrugelige. Den gentagne brug af første etape testes for SpaceX Falcon 9-raketter. SpaceX har allerede foretaget flere vellykkede landinger, og i slutningen af marts vil de forsøge at opsende en af de etaper, der fløj ud i rummet igen. "Efter vores mening kan denne tilgang kun miskreditere ideen om at skabe et ægte genanvendeligt medie," bemærker Makeev Design Bureau. "Man skal stadig sortere sådan en raket efter hver flyvning, installere forbindelser og nye engangskomponenter … og vi er tilbage til, hvor vi startede."

Fuldt genanvendelige medier er stadig kun i form af projekter - med undtagelse af New Shepard af det amerikanske selskab Blue Origin. Indtil videre er raketten med en bemandet kapsel kun designet til suborbitale flyvninger af rumturister, men de fleste af de løsninger, der findes i dette tilfælde, kan let skaleres til en mere seriøs orbitalbærer. Repræsentanter for virksomheden skjuler ikke deres planer om at skabe en sådan mulighed, for hvilken kraftfulde motorer BE-3 og BE-4 allerede er under udvikling. "Med hver suborbital flyvning nærmer vi os kredsløb," forsikrede Blue Origin. Men deres lovende transportør, New Glenn, vil heller ikke kunne genbruges fuldt ud: kun den første blok, der er skabt på basis af det allerede testede New Shepard-design, skal genbruges.

Materiale modstand

De CFRP-materialer, der kræves til fuldt genanvendelige og enkelttrinsraketter, er blevet brugt i rumfartsteknologi siden 1990'erne. I de samme år begyndte ingeniører hos McDonnell Douglas hurtigt at implementere Delta Clipper (DC-X) projektet og kunne i dag godt prale af en færdiglavet og flyvende kulfiberbærer. Desværre, under pres fra Lockheed Martin, blev arbejdet med DC-X indstillet, teknologierne blev overført til NASA, hvor de forsøgte at bruge dem til det mislykkede VentureStar-projekt, hvorefter mange ingeniører involveret i dette emne gik på arbejde hos Blue Origin, og selve virksomheden blev overtaget af Boeing.

I de samme 1990'ere blev det russiske SRC Makeev interesseret i denne opgave. I løbet af årene siden da har KORONA-projektet ("Rumraket, enkelttrins-fartøjer [af rum]-fartøjer") gennemgået en mærkbar udvikling, og mellemversioner viser, hvordan designet og layoutet blev mere og mere enkelt og perfekt. Gradvist forlod udviklerne komplekse elementer - såsom vinger eller eksterne brændstoftanke - og kom til den forståelse, at hovedlegemets materiale skulle være kulfiber. Sammen med udseendet ændrede både vægten og bæreevnen sig. "Ved at bruge selv de bedste moderne materialer er det umuligt at bygge en enkelt-trins raket, der vejer mindre end 60-70 tons, mens dens nyttelast vil være meget lille," siger en af udviklerne. - Men efterhånden som startmassen vokser, står strukturen (op til en vis grænse) for en stadig mindre andel, og det bliver mere og mere rentabelt at bruge den. For en orbital raket er dette optimum omkring 160-170 tons, startende fra denne skala kan dens brug allerede retfærdiggøres."

I den seneste version af KORONA-projektet er affyringsmassen endnu højere og nærmer sig 300 tons. En sådan stor enkelttrinsraket kræver brug af en højeffektiv flydende jetmotor, der kører på brint og ilt. I modsætning til motorer på separate etaper skal sådan en raketmotor med flydende drivmiddel "kunne" fungere under meget forskellige forhold og i forskellige højder, herunder start og flyvning uden for atmosfæren. "En konventionel flydende drivmiddelmotor med Laval-dyser er kun effektiv i visse højdeområder," forklarer Makeyevka-designerne, "derfor kom vi til behovet for at bruge en kileluftraketmotor." Gasstrålen i sådanne motorer tilpasser sig automatisk til trykket "overbord", og de forbliver effektive både ved overfladen og højt i stratosfæren.

Nyttelast container

Indtil videre er der ingen fungerende motor af denne type i verden, selvom de har været og bliver behandlet både i vores land og i USA. I 1960'erne testede Rocketdyne-ingeniører sådanne motorer på et stativ, men de kom ikke til installation på missiler. CROWN bør udstyres med en modulær version, hvor kileluftmundstykket er det eneste element, der endnu ikke har en prototype og ikke er testet. Der er også alle teknologier til produktion af kompositdele i Rusland - de er udviklet og bruges med succes, for eksempel på All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) og på JSC Kompozit.

Lodret pasform

Når man flyver i atmosfæren, vil KORONA kulfiber bærende struktur være dækket af varmeafskærmende fliser udviklet af VIAM til Burans og siden da blevet mærkbart forbedret."Hovedvarmebelastningen på vores raket er koncentreret på dens" næse, hvor der bruges højtemperatur termiske beskyttelseselementer, - forklarer designerne. - I dette tilfælde har rakettens ekspanderende sider en større diameter og er i en spids vinkel i forhold til luftstrømmen. Den termiske belastning på dem er mindre, hvilket tillader brugen af lettere materialer. Som følge heraf har vi sparet mere end 1,5 tons Massen af højtemperaturdelen overstiger ikke 6 % af den samlede masse af termisk beskyttelse. Til sammenligning tegner det sig i Shuttles for mere end 20 %."

Mediets slanke tilspidsede design er resultatet af utallige forsøg og fejl. Ifølge udviklerne, hvis du kun tager de vigtigste egenskaber ved en mulig genanvendelig et-trins-bærer, bliver du nødt til at overveje omkring 16.000 kombinationer af dem. Hundredvis af dem blev værdsat af designerne, mens de arbejdede på projektet. "Vi besluttede at opgive vingerne, som på Buran eller rumfærgen," siger de. - I det store og hele, i den øvre atmosfære, forstyrrer de kun rumfartøjer. Sådanne skibe går ind i atmosfæren med hypersonisk hastighed, ikke bedre end et "jern", og kun ved supersonisk hastighed skifter de til horisontal flyvning og kan stole på vingernes aerodynamik."

Den aksesymmetriske kegleform giver ikke kun mulighed for lettere termisk beskyttelse, men har også en god aerodynamik ved kørsel med meget høje hastigheder. Allerede i de øverste lag af atmosfæren får raketten et løft, som gør det muligt for den ikke kun at bremse her, men også at manøvrere. Dette gør det igen muligt at foretage de nødvendige manøvrer i stor højde med kurs mod landingsstedet, og i den fremtidige flyvning vil det kun være nødvendigt at gennemføre opbremsningen, rette kursen og dreje agterud ved hjælp af svag rangering motorer.

Husk både Falcon 9 og New Shepard: der er intet umuligt eller endda usædvanligt ved lodret landing i dag. Det gør det samtidig muligt at klare sig med væsentligt færre kræfter under anlæg og drift af banen - den bane, som samme Shuttles og Buran landede på, skulle have en længde på flere kilometer for at kunne bremse køretøjet kl. en hastighed på flere hundrede kilometer i timen. "CROWN kan i princippet endda lette fra en offshore platform og lande på den," tilføjer en af forfatterne til projektet, "den endelige landingsnøjagtighed vil være omkring 10 m, raketten sænkes ned på tilbagetrækkelige pneumatiske støddæmpere. Tilbage er kun at udføre diagnostik, tanke op, placere en ny nyttelast - og du kan flyve igen.

KORONA bliver stadig implementeret i mangel af finansiering, så udviklerne af Makeev Design Bureau formåede kun at komme til de sidste stadier af udkastet til design. "Vi har passeret denne fase næsten helt og helt uafhængigt, uden ekstern støtte. Vi har allerede gjort alt, hvad der kunne have været gjort, - siger designerne. - Vi ved hvad, hvor og hvornår der skal produceres. Nu skal vi videre til det praktiske design, produktion og udvikling af nøgleenheder, og det kræver penge, så nu afhænger alt af dem."

Forsinket start

CFRP-raketten forventer kun en storstilet opsendelse; efter modtagelse af den nødvendige støtte er designerne klar til at begynde flyvetests om seks år og om syv til otte år - til at begynde eksperimentel drift af de første missiler. De vurderer, at dette kræver mindre end 2 milliarder dollars – ikke meget efter raketvidenskabsstandarder. Samtidig kan der forventes et investeringsafkast efter syv års brug af raketten, hvis antallet af kommercielle opsendelser forbliver på det nuværende niveau, eller endda om 1,5 år - hvis det vokser med de forventede takter.

Desuden gør tilstedeværelsen af manøvreringsmotorer, rendezvous og docking-enheder på raketten det muligt at regne med komplekse multi-launch-lanceringsordninger. Ved ikke at bruge brændstof på landing, men på at tilføje nyttelasten, kan du bringe den til en masse på mere end 11 tons. Derefter vil CROWN lægge til kaj med den anden, "tanker", som vil fylde sine tanke med yderligere brændstof, der er nødvendigt for at returnere. Men stadig meget vigtigere er genbrugbarheden, som for første gang vil fritage os for behovet for at indsamle medierne før hver lancering – og miste dem efter hver lancering. Kun en sådan tilgang kan sikre skabelsen af en stabil to-vejs trafikstrøm mellem Jorden og kredsløbet, og samtidig begyndelsen på en reel, aktiv, storstilet udnyttelse af jordens nære rum.

I mellemtiden forbliver CROWN i limbo, arbejdet med New Shepard fortsætter. Et lignende japansk projekt RVT er også under udvikling. Russiske udviklere har måske simpelthen ikke nok støtte til gennembruddet. Hvis du har et par milliarder til overs, er dette en langt bedre investering end selv den største og mest luksuriøse yacht i verden.