Er wordt aangenomen dat technologieën zich altijd geleidelijk ontwikkelen, van eenvoudig tot complex, van stenen mes tot staal - en pas daarna tot een geprogrammeerde freesmachine. Het lot van ruimteraketten bleek echter minder eenvoudig. Het maken van eenvoudige, betrouwbare eentrapsraketten bleef lange tijd ontoegankelijk voor ontwerpers. Er waren oplossingen nodig die noch materiaalwetenschappers noch motoringenieurs konden bieden. Tot nu toe blijven draagraketten multistage en disposable: een ongelooflijk complex en duur systeem wordt een paar minuten gebruikt, waarna het wordt weggegooid
“Stel je voor dat je voor elke vlucht een nieuw vliegtuig zou assembleren: je zou de romp aan de vleugels verbinden, elektrische kabels leggen, de motoren installeren, en na de landing zou je het naar een stortplaats sturen … Je zult niet ver vliegen zoals dat”, vertelden de ontwikkelaars van het State Missile Center ons. Makeev. “Maar dat is precies wat we elke keer doen als we vracht in een baan om de aarde sturen. Natuurlijk zou in het ideale geval iedereen een betrouwbare eentraps "machine" willen hebben die niet hoeft te worden gemonteerd, maar bij de kosmodrome aankomt, wordt bijgetankt en gelanceerd. En dan komt het terug en begint het opnieuw - en opnieuw "…
Op de helft
Over het algemeen probeerde raketten rond te komen met één fase van de vroegste projecten. In de eerste schetsen van Tsiolkovsky verschijnen precies dergelijke structuren. Hij verliet dit idee pas later, in het besef dat de technologieën van het begin van de twintigste eeuw het niet mogelijk maakten om deze eenvoudige en elegante oplossing te realiseren. In de jaren zestig ontstond opnieuw belangstelling voor eentrapscarriers en aan beide zijden van de oceaan werden dergelijke projecten uitgewerkt. In de jaren zeventig werkten de Verenigde Staten aan eentrapsraketten SASSTO, Phoenix en verschillende oplossingen op basis van de S-IVB, de derde fase van het Saturn V-lanceervoertuig, dat astronauten naar de maan bracht.
"Zo'n optie zou qua draagvermogen niet verschillen, de motoren waren hier niet goed genoeg voor - maar toch zou het een trap zijn, heel goed in staat om in een baan om de aarde te vliegen", vervolgen de ingenieurs. "Natuurlijk zou het economisch volkomen onterecht zijn." Composieten en technologieën om ermee te werken zijn pas in de afgelopen decennia verschenen, die het mogelijk maken om de drager eentraps en bovendien herbruikbaar te maken. De kosten van zo'n "wetenschapsintensieve" raket zullen hoger zijn dan die van een traditioneel ontwerp, maar hij zal over vele lanceringen worden "gespreid", zodat de lanceringsprijs veel lager zal zijn dan het gebruikelijke niveau.
Herbruikbaarheid van media is tegenwoordig het belangrijkste doel van ontwikkelaars. De systemen Space Shuttle en Energia-Buran waren gedeeltelijk herbruikbaar. Het herhaalde gebruik van de eerste trap wordt getest voor SpaceX Falcon 9-raketten. SpaceX heeft al verschillende succesvolle landingen gemaakt en eind maart zullen ze proberen een van de trappen die de ruimte in vlogen weer te lanceren. "Naar onze mening kan deze aanpak het idee van het creëren van een echt herbruikbaar medium alleen maar in diskrediet brengen", merkt het Makeev Design Bureau op. "Je moet zo'n raket na elke vlucht nog uitzoeken, aansluitingen en nieuwe wegwerpcomponenten installeren… en we zijn weer terug bij waar we begonnen."
Volledig herbruikbare media zijn nog steeds alleen in de vorm van projecten - met uitzondering van de New Shepard van het Amerikaanse bedrijf Blue Origin. Tot nu toe is de raket met een bemande capsule alleen ontworpen voor suborbitale vluchten van ruimtetoeristen, maar de meeste oplossingen die in dit geval worden gevonden, kunnen gemakkelijk worden geschaald voor een serieuzere orbitale luchtvaartmaatschappij. Vertegenwoordigers van het bedrijf verbergen hun plannen om een dergelijke optie te creëren niet, waarvoor al krachtige motoren BE-3 en BE-4 worden ontwikkeld. "Met elke suborbitale vlucht naderen we een baan", verzekerde Blue Origin. Maar ook hun veelbelovende drager New Glenn zal niet volledig herbruikbaar zijn: alleen het eerste blok, gemaakt op basis van het al geteste New Shepard-ontwerp, moet worden hergebruikt.
Materiële weerstand:
De CFRP-materialen die nodig zijn voor volledig herbruikbare en eentrapsraketten worden sinds de jaren negentig in de ruimtevaarttechnologie gebruikt. In diezelfde jaren begonnen de ingenieurs van McDonnell Douglas snel met de implementatie van het Delta Clipper (DC-X)-project, en vandaag konden ze bogen op een kant-en-klare en vliegende koolstofvezeldrager. Helaas werd onder druk van Lockheed Martin het werk aan DC-X stopgezet, de technologieën werden overgedragen aan NASA, waar ze probeerden ze te gebruiken voor het mislukte VentureStar-project, waarna veel ingenieurs die betrokken waren bij dit onderwerp aan de slag gingen bij Blue Origin, en het bedrijf zelf werd overgenomen door Boeing.
In dezelfde jaren negentig raakte de Russische SRC Makeev geïnteresseerd in deze taak. Sindsdien heeft het KORONA-project ("Space rocket, single-stage carrier of [space] vehicles") een merkbare evolutie doorgemaakt en tussenversies laten zien hoe het ontwerp en de lay-out steeds eenvoudiger en perfecter werden. Geleidelijk aan verlieten de ontwikkelaars complexe elementen - zoals vleugels of externe brandstoftanks - en kwamen tot het inzicht dat het belangrijkste lichaamsmateriaal koolstofvezel moest zijn. Samen met het uiterlijk veranderde zowel het gewicht als het draagvermogen. "Met zelfs de beste moderne materialen is het onmogelijk om een eentrapsraket te bouwen met een gewicht van minder dan 60-70 ton, terwijl het laadvermogen erg klein zal zijn", zegt een van de ontwikkelaars. - Maar naarmate de startmassa groeit, heeft de structuur (tot een bepaalde limiet) een steeds kleiner aandeel en wordt het steeds winstgevender om het te gebruiken. Voor een orbitale raket is dit optimum ongeveer 160-170 ton, uitgaande van deze schaal kan het gebruik ervan al gerechtvaardigd zijn."
In de nieuwste versie van het KORONA-project is de lanceringsmassa zelfs nog hoger en nadert de 300 ton. Zo'n grote eentrapsraket vereist het gebruik van een zeer efficiënte vloeibare stuwstofstraalmotor die werkt op waterstof en zuurstof. In tegenstelling tot motoren in afzonderlijke fasen, moet een dergelijke raketmotor met vloeibare stuwstof in zeer verschillende omstandigheden en op verschillende hoogten kunnen werken, inclusief opstijgen en vliegen buiten de atmosfeer. "Een conventionele motor met vloeibare stuwstof met Laval-spuitmonden is alleen effectief op bepaalde hoogtes", leggen de Makeevka-ontwerpers uit, "daarom kwamen we tot de noodzaak om een wigvormige raketmotor te gebruiken." De gasstraal in dergelijke motoren past zich aan de druk "overboord" aan en ze behouden de efficiëntie zowel aan de oppervlakte als hoog in de stratosfeer.
Tot nu toe is er geen werkende motor van dit type in de wereld, hoewel ze zowel in ons land als in de VS zijn en worden aangepakt. In de jaren zestig testten Rocketdyne-ingenieurs dergelijke motoren op een standaard, maar ze kwamen niet om op raketten te installeren. CROWN moet worden uitgerust met een modulaire versie, waarbij de wedge-air-nozzle het enige element is dat nog geen prototype heeft en niet is getest. Er zijn ook alle technologieën voor de productie van composietonderdelen in Rusland - ze zijn ontwikkeld en worden bijvoorbeeld met succes gebruikt bij het All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) en bij OJSC "Kompozit".
Verticale pasvorm
Bij het vliegen in de atmosfeer wordt de met koolstofvezel versterkte kunststofstructuur van de CORONA bedekt met hittewerende tegels die door VIAM voor de Burans zijn ontwikkeld en sindsdien merkbaar zijn verbeterd."De belangrijkste warmtebelasting op onze raket is geconcentreerd op zijn" neus ", waar thermische beschermingselementen op hoge temperatuur worden gebruikt, - leggen de ontwerpers uit. - In dit geval hebben de uitzettende zijden van de raket een grotere diameter en staan ze onder een scherpe hoek met de luchtstroom. De thermische belasting daarop is minder, waardoor lichtere materialen kunnen worden gebruikt. Hierdoor hebben we meer dan 1,5 ton bespaard. De massa van het hogetemperatuurdeel is niet groter dan 6% van de totale massa van de thermische beveiliging. Ter vergelijking: het is goed voor meer dan 20% van de Shuttles."
Het slanke, taps toelopende ontwerp van de media is het resultaat van talloze vallen en opstaan. Volgens de ontwikkelaars, als je alleen de belangrijkste kenmerken van een mogelijke herbruikbare enkeltraps drager neemt, moet je ongeveer 16.000 combinaties ervan overwegen. Honderden van hen werden door de ontwerpers gewaardeerd tijdens het werken aan het project. "We hebben besloten om de vleugels te verlaten, zoals op de Buran of de Space Shuttle", zeggen ze. - Over het algemeen interfereren ze in de bovenste atmosfeer alleen met ruimtevaartuigen. Dergelijke schepen komen met hypersonische snelheid niet beter dan een "ijzer" de atmosfeer binnen, en alleen met supersonische snelheid schakelen ze over op horizontale vlucht en kunnen ze goed vertrouwen op de aerodynamica van de vleugels."
De axiaalsymmetrische kegelvorm zorgt niet alleen voor een eenvoudigere thermische bescherming, maar heeft ook een goede aerodynamica bij het rijden met zeer hoge snelheden. Al in de bovenste lagen van de atmosfeer krijgt de raket een lift, waardoor hij niet alleen hier kan remmen, maar ook kan manoeuvreren. Dit maakt het op zijn beurt mogelijk om op grote hoogte de nodige manoeuvres uit te voeren, op weg naar de landingsplaats, en in de toekomstige vlucht blijft het alleen om het remmen te voltooien, de koers te corrigeren en naar achteren te keren, met behulp van zwakke manoeuvreermotoren.
Denk aan zowel de Falcon 9 als de New Shepard: er is tegenwoordig niets onmogelijks of zelfs ongewoons in verticale landing. Tegelijkertijd maakt het het mogelijk om met aanzienlijk minder krachten rond te komen tijdens de aanleg en het gebruik van de baan - de baan waarop dezelfde Shuttles en Buran landden, moest een lengte van enkele kilometers hebben om het voertuig bij een snelheid van honderden kilometers per uur. "De CROWN kan in principe zelfs opstijgen vanaf een offshore-platform en erop landen", voegt een van de auteurs van het project toe, "de uiteindelijke landingsnauwkeurigheid zal ongeveer 10 m zijn, de raket wordt neergelaten op intrekbare pneumatische schokdempers.” Het enige dat overblijft is een diagnose uitvoeren, tanken, een nieuwe lading plaatsen - en u kunt weer vliegen.
KORONA wordt nog steeds geïmplementeerd bij gebrek aan financiering, dus de ontwikkelaars van het Makeev Design Bureau zijn erin geslaagd om alleen de laatste fasen van het conceptontwerp te bereiken. “We zijn deze fase bijna geheel en volledig zelfstandig doorgekomen, zonder externe ondersteuning. We hebben al alles gedaan wat gedaan kon worden, zeggen de ontwerpers. - We weten wat, waar en wanneer er geproduceerd moet worden. Nu moeten we overgaan tot het praktisch ontwerpen, produceren en ontwikkelen van sleutelunits, en daar is geld voor nodig, dus nu hangt alles ervan af."
Vertraagde start
De CFRP-raket verwacht alleen een grootschalige lancering; na ontvangst van de nodige ondersteuning zijn de ontwerpers klaar om over zes jaar met vliegtesten te beginnen, en over zeven tot acht jaar - om te beginnen met de experimentele werking van de eerste raketten. Ze schatten dat hiervoor minder dan $ 2 miljard nodig is - niet veel volgens raketnormen. Tegelijkertijd kan een rendement op de investering worden verwacht na zeven jaar gebruik van de raket, als het aantal commerciële lanceringen op het huidige niveau blijft, of zelfs over 1,5 jaar - als het groeit met de voorspelde snelheden.
Bovendien maakt de aanwezigheid van manoeuvreermotoren, rendez-vous en dockingfaciliteiten op de raket het ook mogelijk om te rekenen op complexe multi-launch lanceringsschema's. Na verbruikte splijtstof niet voor de landing, maar voor het afwerken van de lading, is het mogelijk om deze op een massa van meer dan 11 ton te brengen. Dan zal de CROWN aanmeren met de tweede, "tanker", die zijn tanks zal vullen met extra brandstof die nodig is voor de terugkeer. Maar nog veel belangrijker is herbruikbaarheid, waardoor we voor het eerst de media niet voor elke lancering hoeven te verzamelen - en deze na elke lancering weer kwijtraken. Alleen zo'n aanpak kan zorgen voor een stabiele tweerichtingsverkeersstroom tussen de aarde en de baan, en tegelijkertijd het begin van een echte, actieve, grootschalige exploitatie van de ruimte nabij de aarde.
Ondertussen blijft de CROWN in het ongewisse, het werk aan New Shepard gaat door. Een soortgelijk Japans project RVT is ook in ontwikkeling. Russische ontwikkelaars hebben misschien gewoon niet genoeg steun voor een doorbraak. Als u een paar miljarden over heeft, is dit een veel betere investering dan zelfs het grootste en meest luxueuze jacht ter wereld.
