Russiese ruimte

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Daar word geglo dat tegnologie altyd geleidelik ontwikkel, van eenvoudig tot kompleks, van klipmes tot staal - en dan eers na 'n geprogrammeerde freesmasjien. Die lot van ruimtevuurpyle het egter nie so eenvoudig geblyk te wees nie. Die skepping van eenvoudige, betroubare enkelfase-missiele het vir 'n lang tyd ontoeganklik gebly vir ontwerpers.

Oplossings was nodig wat nóg materiaalwetenskaplikes nóg enjiningenieurs kon bied. Lanceervoertuie bly tot nou toe meervoudig en weggooibaar: 'n ongelooflike komplekse en duur stelsel word vir 'n paar minute gebruik en dan weggegooi.

“Stel jou voor dat jy voor elke vlug’n nuwe vliegtuig sal saamstel: jy sal die romp aan die vlerke verbind, elektriese kabels lê, die enjins installeer, en ná landing sal jy dit na’n rommelwerf stuur … Jy kan nie so ver vlieg nie,” het die ontwikkelaars van die Staatsmissielsentrum vir ons gesê. Makeeva. “Maar dit is presies wat ons doen elke keer as ons vrag in’n wentelbaan stuur. Natuurlik, ideaal sal almal graag 'n betroubare een-fase "masjien" hê wat nie montering vereis nie, maar by die kosmodroom aankom, brandstof gevul en gelanseer word. En dan kom dit terug en begin weer - en weer "…

Op die halfpad

Oor die algemeen het vuurpyle probeer om met een stadium van die vroegste projekte oor die weg te kom. In die aanvanklike sketse van Tsiolkovsky kom net sulke strukture voor. Hy het hierdie idee eers later laat vaar, en besef dat die tegnologieë van die vroeë twintigste eeu dit nie toelaat om hierdie eenvoudige en elegante oplossing te realiseer nie. Belangstelling in enkelfase-draers het weer in die 1960's ontstaan, en sulke projekte is aan beide kante van die see uitgewerk. Teen die 1970's het die Verenigde State gewerk aan enkelfase-vuurpyle SASSTO, Phoenix en verskeie oplossings gebaseer op die S-IVB, die derde fase van die Saturnus V-lanseringsvoertuig, wat ruimtevaarders na die maan afgelewer het.

CORONA moet robot word en intelligente sagteware vir die beheerstelsel ontvang. Die sagteware sal direk tydens vlug kan opdateer, en in 'n noodsituasie sal dit outomaties "terugrol" na die rugsteun-stabiele weergawe.

"So 'n opsie sal nie verskil in drakrag nie, die enjins was nie goed genoeg hiervoor nie, maar dit sal steeds een stadium wees, redelik in staat om in 'n wentelbaan te vlieg," gaan die ingenieurs voort. "Natuurlik sal dit ekonomies heeltemal ongeregverdig wees." Komposiete en tegnologieë om daarmee te werk het eers in die afgelope dekades verskyn, wat dit moontlik maak om die draer een-fase en boonop herbruikbaar te maak. Die koste van so 'n "wetenskap-intensiewe" vuurpyl sal hoër wees as dié van 'n tradisionele ontwerp, maar dit sal oor baie lanserings "verspreid" wees, sodat die lanseringsprys aansienlik laer as die gewone vlak sal wees.

Dit is mediaherbruikbaarheid wat vandag die hoofdoel van ontwikkelaars is. Die Ruimtependeltuig en Energia-Buran-stelsels was gedeeltelik herbruikbaar. Die herhaalde gebruik van die eerste verhoog word getoets vir SpaceX Falcon 9-vuurpyle. SpaceX het reeds verskeie suksesvolle landings gemaak, en aan die einde van Maart sal hulle probeer om een van die stadiums wat die ruimte ingevlieg het weer te lanseer. "Na ons mening kan hierdie benadering net die idee van die skep van 'n ware herbruikbare media in diskrediet bring," merk die Makeev Design Bureau op. “Jy moet nog ná elke vlug so’n vuurpyl uitsorteer, verbindings en nuwe weggooibare komponente installeer … en ons is terug na waar ons begin het.”

Volledig herbruikbare media is steeds net in die vorm van projekte – met die uitsondering van New Shepard deur die Amerikaanse maatskappy Blue Origin. Tot dusver is die vuurpyl met 'n bemande kapsule slegs ontwerp vir suborbitale vlugte van ruimtetoeriste, maar die meeste van die oplossings wat in hierdie geval gevind word, kan maklik geskaal word vir 'n ernstiger orbitale draer. Verteenwoordigers van die maatskappy verberg nie hul planne om so 'n opsie te skep nie, waarvoor kragtige enjins BE-3 en BE-4 reeds ontwikkel word. “Met elke suborbitale vlug nader ons’n wentelbaan,” het Blue Origin verseker. Maar hul belowende draer, New Glenn, sal ook nie ten volle herbruikbaar wees nie: slegs die eerste blok, wat op grond van die reeds getoetste New Shepard-ontwerp geskep is, moet hergebruik word.

Materiële weerstand

Die CFRP-materiaal wat benodig word vir volledig herbruikbare en enkelfase-vuurpyle is sedert die 1990's in lugvaarttegnologie gebruik. In daardie selfde jare het ingenieurs by McDonnell Douglas vinnig die Delta Clipper (DC-X)-projek begin implementeer en kon vandag goed spog met 'n klaargemaakte en vlieënde koolstofveseldraer. Ongelukkig, onder druk van Lockheed Martin, is werk aan DC-X gestaak, die tegnologieë is na NASA oorgedra, waar hulle dit probeer gebruik het vir die onsuksesvolle VentureStar-projek, waarna baie ingenieurs betrokke by hierdie onderwerp by Blue Origin gaan werk het. en die maatskappy self is deur Boeing oorgeneem.

In dieselfde 1990's het die Russiese SR Makeev in hierdie taak begin belangstel. Deur die jare sedertdien het die KORONA-projek ("Ruimtevuurpyl, enkelstap-draer [van ruimte] voertuie") 'n merkbare evolusie ondergaan, en tussenweergawes wys hoe die ontwerp en uitleg al hoe meer eenvoudig en perfek geword het. Geleidelik het die ontwikkelaars komplekse elemente – soos vlerke of eksterne brandstoftenks – laat vaar en tot die insig gekom dat die hoofliggaamsmateriaal koolstofvesel moet wees. Saam met die voorkoms het beide die gewig en die drakrag verander. "Deur selfs die beste moderne materiale te gebruik, is dit onmoontlik om 'n enkelstapvuurpyl te bou wat minder as 60-70 ton weeg, terwyl sy loonvrag baie klein sal wees," sê een van die ontwikkelaars. - Maar soos die beginmassa groei, maak die struktuur (tot 'n sekere limiet) 'n al hoe kleiner aandeel uit, en dit word al hoe meer winsgewend om dit te gebruik. Vir 'n wentelbaanvuurpyl is hierdie optimum ongeveer 160-170 ton, vanaf hierdie skaal kan die gebruik daarvan reeds geregverdig word."

In die jongste weergawe van die KORONA-projek is die lanseermassa selfs hoër en nader 300 ton. So 'n groot enkelstapvuurpyl vereis die gebruik van 'n hoogs doeltreffende vloeibare dryfmiddelstraalenjin wat op waterstof en suurstof werk. Anders as enjins op afsonderlike stadiums, moet so 'n vloeibare dryfmiddel-vuurpyl-enjin in baie verskillende toestande en op verskillende hoogtes "kan" werk, insluitend opstyg en vlug buite die atmosfeer. "'n Konvensionele vloeibare dryfmiddel-enjin met Laval-spuitpunte is slegs effektief op sekere hoogtegebiede," verduidelik die Makeyevka-ontwerpers, "daarom het ons tot die behoefte gekom om 'n wig-lug-vuurpylenjin te gebruik." Die gasstraal in sulke enjins pas outomaties aan by die druk "oorboord", en hulle bly doeltreffend sowel aan die oppervlak as hoog in die stratosfeer.

Loonvraghouer

Tot dusver is daar geen werkende enjin van hierdie tipe in die wêreld nie, alhoewel hulle in beide ons land en in die VSA hanteer is en word. In die 1960's het Rocketdyne-ingenieurs sulke enjins op 'n staander getoets, maar hulle het nie by die installasie op missiele gekom nie. CROWN moet toegerus wees met 'n modulêre weergawe, waarin die wig-lug-spuitstuk die enigste element is wat nog nie 'n prototipe het nie en nie getoets is nie. Daar is ook alle tegnologieë vir die vervaardiging van saamgestelde dele in Rusland - hulle is ontwikkel en word suksesvol gebruik, byvoorbeeld by die All-Russian Institute of Aviation Materials (VIAM) en by JSC Kompozit.

Vertikale pasvorm

Wanneer in die atmosfeer gevlieg word, sal die KORONA-koolstofvesel-draende struktuur bedek wees met hittebeskermende teëls wat deur VIAM vir die Burans ontwikkel is en sedertdien merkbaar verbeter is."Die belangrikste hittelading op ons vuurpyl is gekonsentreer op sy" neus, waar hoë-temperatuur termiese beskermingselemente gebruik word, - verduidelik die ontwerpers. - In hierdie geval het die uitdyende kante van die vuurpyl 'n groter deursnee en is teen 'n skerp hoek met die lugvloei. Die termiese las op hulle is minder, wat die gebruik van ligter materiale moontlik maak. As gevolg hiervan het ons meer as 1,5 ton bespaar. Die massa van die hoëtemperatuur-deel oorskry nie 6% van die totale massa van die termiese beskerming nie. Ter vergelyking, in die Shuttles maak dit meer as 20% uit."

Die slanke tapse ontwerp van die media is die resultaat van ontelbare beproewing en fout. Volgens die ontwikkelaars, as jy net die sleutelkenmerke van 'n moontlike herbruikbare enkelfase-draer neem, sal jy ongeveer 16 000 kombinasies daarvan moet oorweeg. Honderde van hulle is deur die ontwerpers waardeer terwyl hulle aan die projek gewerk het. "Ons het besluit om die vlerke te laat vaar, soos op die Buran of die Ruimtependeltuig," sê hulle. - Oor die algemeen, in die boonste atmosfeer meng hulle net met ruimtetuie in. Sulke skepe gaan die atmosfeer binne teen hipersoniese spoed, nie beter as 'n "yster nie", en slegs teen supersoniese spoed skakel hulle oor na horisontale vlug en kan behoorlik staatmaak op die aerodinamika van die vlerke."

Die asimmetriese keëlvorm maak nie net makliker termiese beskerming moontlik nie, maar het ook goeie lugdinamika wanneer jy teen baie hoë spoed ry. Reeds in die boonste lae van die atmosfeer kry die vuurpyl 'n hysbak, wat dit nie net toelaat om hier te rem nie, maar ook om te maneuver. Dit maak dit op sy beurt weer moontlik om die nodige maneuvers op hoë hoogte te maak, op pad na die landingsplek, en in die toekomstige vlug sal dit slegs nodig wees om die rem te voltooi, die koers reg te stel en agter af te draai, deur swak rangeer te gebruik. enjins.

Onthou beide die Falcon 9 en die New Shepard: daar is vandag niks onmoontlik of selfs ongewoon in vertikale landing nie. Dit maak dit terselfdertyd moontlik om met aansienlik minder kragte oor die weg te kom tydens die bou en bedryf van die aanloopbaan – die aanloopbaan waarop dieselfde Shuttles en Buran geland het, moes’n lengte van etlike kilometer hê om die voertuig te rem by 'n spoed van honderde kilometers per uur. “CROWN kan in beginsel selfs van’n aflandige platform af opstyg en daarop land,” voeg een van die skrywers van die projek by, “die finale landingsakkuraatheid sal ongeveer 10 m wees, die vuurpyl word op intrekbare pneumatiese skokbrekers laat sak. Al wat oorbly is om diagnose uit te voer, brandstof te vul, 'n nuwe loonvrag te plaas - en jy kan weer gaan vlieg.

KORONA word steeds geïmplementeer in die afwesigheid van befondsing, so die ontwikkelaars van die Makeev Design Bureau het daarin geslaag om slegs by die finale stadiums van die konsepontwerp te kom. “Ons het hierdie stadium feitlik heeltemal en heeltemal onafhanklik geslaag, sonder eksterne ondersteuning. Ons het reeds alles gedoen wat gedoen kon word, - sê die ontwerpers. - Ons weet wat, waar en wanneer geproduseer moet word. Nou moet ons aanbeweeg na die praktiese ontwerp, vervaardiging en ontwikkeling van sleuteleenhede, en dit verg geld, so nou hang alles daarvan af."

Vertraagde begin

Die CFRP-vuurpyl verwag slegs 'n grootskaalse lansering; by ontvangs van die nodige ondersteuning is die ontwerpers gereed om oor ses jaar met vlugtoetse te begin, en oor sewe tot agt jaar - om die eksperimentele werking van die eerste missiele te begin. Hulle skat dat dit minder as $ 2 miljard verg – nie veel volgens vuurpylwetenskapstandaarde nie. Terselfdertyd kan’n opbrengs op belegging verwag word ná sewe jaar van die gebruik van die vuurpyl, as die aantal kommersiële lanserings op die huidige vlak bly, of selfs oor 1,5 jaar – as dit groei teen die geprojekteerde koerse.

Boonop maak die teenwoordigheid van maneuverenjins, ontmoetings- en koppeltoestelle op die vuurpyl dit moontlik om op komplekse multi-lansering-lanseringskemas te reken. Deur brandstof nie op die landing te spandeer nie, maar om die loonvrag by te voeg, kan jy dit tot 'n massa van meer as 11 ton bring. Dan sal die KROON dok by die tweede, "tenkwa", wat sy tenks sal vul met bykomende brandstof wat nodig is vir die terugkeer. Maar tog, baie belangriker is herbruikbaarheid, wat ons vir die eerste keer sal onthef van die behoefte om die media voor elke bekendstelling te versamel – en dit ná elke bekendstelling te verloor. Slegs so’n benadering kan die skepping van’n stabiele tweerigtingverkeervloei tussen die Aarde en die wentelbaan verseker, en terselfdertyd die begin van’n werklike, aktiewe, grootskaalse ontginning van naby-Aarde-ruimte.

Intussen bly die KROON in limbo, werk aan New Shepard gaan voort. 'n Soortgelyke Japannese projek RVT is ook besig om te ontwikkel. Russiese ontwikkelaars het dalk eenvoudig nie genoeg ondersteuning vir die deurbraak nie. As jy 'n paar miljarde oor het, is dit 'n baie beter belegging as selfs die grootste en luuksste seiljag ter wêreld.