Újrafelhasználható Korona hordozórakéta
Az űr ma indul
Ma már nyugodtan kijelenthetjük, hogy a Roszkoszmosz valamikor figyelmen kívül hagyta az újrafelhasználható rakéták témáját, olyan fejlesztéseket, projekteket tartva a kezében, amelyek több évvel megelőzték más országokat. Az orosz újrafelhasználható rakétákkal kapcsolatos összes projektet nem fejezték be, nem valósították meg fémben. Például az 1992 és 2012 között kifejlesztett „Korona” újrafelhasználható egyfokozatú hordozórakéta soha nem jutott logikus következtetésre. Ennek a téves számításnak az eredményét már ma is látjuk a fejlesztésben. Oroszország az amerikai Falcon 9 rakéta és változatai megjelenésével komolyan veszített a kereskedelmi űrkilövő piacon, és az évi űrkilövések számát tekintve is komolyan alulmarad. 2018 végén a Roszkozmosz 20 űrkilövésről számolt be (egy sikertelen), míg 2018 áprilisában a Roszkozmosz vezetője, Igor Komarov a TASS-nak adott interjújában azt mondta, hogy a tervek szerint 30 űrindítást fejeznek be a végére. az év ... ja. Tavaly Kína élen járt 39 űrkilövéssel (egy sikertelen volt), majd az Egyesült Államok következett 31 űrkilövéssel (nincs hiba).
A modern űrrepülésekről szólva meg kell érteni, hogy a modern hordozórakéta (LV) indításának teljes költségében a fő költségtétel maga a rakéta. A hajótest, az üzemanyagtartályok, a hajtóművek - mindez örökre elszáll, a légkör sűrű rétegeiben ég el, nyilvánvaló, hogy az ilyen visszahozhatatlan költségek minden hordozórakéta elindítását nagyon drága élvezetté változtatják. Nem az űrkikötők karbantartása, nem az üzemanyag, nem az indulás előtti szerelési munkák, hanem magának a hordozórakétának az ára - ez a fő kiadási tétel. Egy nagyon összetett mérnöki technológiai terméket percek alatt felhasználnak, majd teljesen megsemmisülnek. Ez természetesen igaz az eldobható rakétákra. A visszaküldhető hordozórakéták használatának ötlete itt valódi esélyként merül fel az egyes űrrepülés költségeinek csökkentésére. Ebben az esetben még az első szakasz visszaküldése is csökkenti az egyes indítások költségeit.
Pontosan ezt a sémát valósította meg Elon Musk amerikai milliárdos a Falcon 9 nehéz hordozórakéta visszaküldhető első fokozatának elkészítésével. Míg ezeknek a rakétáknak az első fokozata részben visszaküldhető, néhány leszállási kísérlet kudarccal végződik, de a sikertelen landolások száma csökkent. 2017-ben és 2018-ban szinte nullára esett. Például tavaly az első szakasz minden 10 sikeres landolása után csak egy kudarc volt. Ugyanakkor a SpaceX az első szakasz sikeres leszállásával is nyitotta az új évet. 11. január 2019-én a Falcon 9 rakéta első fokozata sikeresen landolt egy lebegő platformon, ráadásul újrahasznosították, korábban pedig 18 szeptemberében állította pályára a Telestar 2018V kommunikációs műholdat. Jelenleg az ilyen visszatérő első lépések már kész tények. Ám amikor az amerikai magánűrcég képviselői csak a projektjükről beszéltek, sok szakértő kételkedett a sikeres megvalósítás lehetőségében.
A mai valóságban a nehéz osztályú Falcon 9 rakéta első fokozata egyes kilövéseknél visszatérő változatban is használható. A rakéta második fokozatát kellő magasságba hozva mintegy 70 kilométeres magasságban válik le róla, a kioldás a hordozórakéta kilövése után hozzávetőlegesen 2,5 perccel történik (az idő a konkrét kilövési feladatoktól függ). A hordozórakétáról való leválasztás után az első fokozat a telepített orientációs rendszer segítségével kis manővert hajt végre, távolodva a második fokozat működő hajtóművei lángjaitól, és a hajtóművekkel előre kanyarodik, felkészülve a három főre. fékezési manőverek. A fékezéshez való leszálláskor az első fokozat saját motorjait használja. Meg kell jegyezni, hogy a visszatérési szakasz saját korlátokat szab az indításnak. Például a Falcon 9 rakéta maximális hasznos teherbírása 30-40 százalékkal csökken. Ez annak köszönhető, hogy üzemanyagot kell tartalékolni a fékezéshez és az azt követő leszálláshoz, valamint a telepített leszállóberendezések (rácskormányok, leszálló lábak, vezérlőrendszer elemei stb.) további tömege.
Az amerikaiak sikerei és a sikeres kilövések nagy sorozata nem maradt észrevétlenül a világban, ami számos kijelentést váltott ki a rakéták részleges újrafelhasználhatóságát alkalmazó projektek megkezdéséről, beleértve az oldalsó boosterek visszatérését és az első szakaszt a Földre. . Ez ügyben a Roszkozmosz képviselői is felszólaltak. A Társaság már 2017 elején elkezdett beszélni arról, hogy Oroszországban újraindul az újrafelhasználható rakéták létrehozása.
Újrafelhasználható "Korona" rakéta és korábbi projektek
Érdemes megjegyezni, hogy a rakéták újrafelhasználható felhasználásának gondolatával a Szovjetunióban foglalkoztak. Az ország összeomlása után ez a téma nem szűnt meg, az ezirányú munka folytatódott. Sokkal korábban kezdték, mint amikor Elon Musk beszélni kezdett róla. Például a szupernehéz Szovjet Energia rakéta első fokozatának blokkjait vissza kellett vinni, erre gazdasági okok és a legalább 170 repülésre tervezett RD-10 hajtóművek erőforrásának kihasználása volt szükséges.
Kevésbé ismert a Rossiyanka hordozórakéta projekt, amelyet a V. P. Makeev OJSC akadémikusról elnevezett Állami Rakétaközpont szakemberei dolgoztak ki. Ez a cég elsősorban katonai fejlesztéseiről ismert. Például itt hozták létre a tengeralattjárók felfegyverzésére tervezett hazai ballisztikus rakéták többségét, beleértve azokat is, amelyek jelenleg tengeralattjárókkal szolgálnak. flotta Orosz ballisztikus rakéták R-29RMU "Sineva".
A projekt szerint a Rossiyanka kétlépcsős hordozórakéta volt, melynek első fokozata újrafelhasználható volt. Lényegében ugyanaz az ötlet, mint a SpaceX mérnökei, de néhány évvel korábban. A rakétának 21,5 tonna rakományt kellett volna alacsony referenciapályára bocsátania – ez közel áll a Falcon 9 rakétához. Az első fokozat visszatérése ballisztikus pályán kellett volna megtörténnie, a normál fokozat motorjainak újbóli bekapcsolása miatt. Szükség esetén a rakéta teherbírása 35 tonnára növelhető. December 12-én a Makeev Állami Kutatóközpont bemutatta új rakétáját a Roscosmos versenyen az újrafelhasználható hordozórakéták fejlesztésére, de az ilyen járművek létrehozásának megrendelése a Khrunichev Állami Kutató- és Gyártóközpont versenytársaihoz került a Bajkál-Angarával. projekt. Valószínűleg a Makeev SRC szakemberei rendelkeztek volna kompetenciával projektjük megvalósításához, de kellő odafigyelés és finanszírozás nélkül ez lehetetlen volt.
A Bajkál-Angara projekt még ambiciózusabb volt, a Földre való visszatérés első szakaszának repülőgépes változata volt. A tervek szerint a rekesz beállított magasságának elérése után az első lépcsőben egy speciális szárny nyílik, majd kihúzott futóművel hajt végre egy repülőgép-repülést leszállással egy hagyományos repülőtéren. Egy ilyen rendszer azonban önmagában nemcsak nagyon bonyolult, hanem drága is. Egyik tagadhatatlan erénye az volt, hogy nagyobb távolságból is visszatérhetett. Sajnos a projekt soha nem valósult meg, néha még mindig emlékeznek rá, de semmi több.
A világ már most a teljesen visszanyerhető hordozórakétákon gondolkodik. Elon Musk bejelentette a Big Falcon Rocket projektet. Egy ilyen rakétának kétlépcsős architektúrát kell kapnia, amely nem jellemző a modern űrhajózásra, második fokozata szervesen illeszkedik az űrrepülőgéphez, amely lehet rakomány és utas is. A tervek szerint a Superheavy első fokozata visszatér a Földre, és hajtóművei segítségével függőleges leszállást hajt végre az űrkikötőben, ezt a technológiát már tökéletesen kidolgozták a SpaceX mérnökei. A rakéta második fokozata az űrhajóval együtt (valójában ez egy különféle célú űrhajó), amelyet Starshipnak hívtak, Föld körüli pályára kerül. A második szakaszban is marad elegendő üzemanyag ahhoz, hogy az űrküldetés befejezése után lelassuljon a légkör sűrű rétegeiben, és leszálljon a tengeri platformra.
Érdemes megjegyezni, hogy a SpaceX-nek sincs tenyere egy ilyen ötletben. Oroszországban az 1990-es évek óta fejlesztik az újrafelhasználható hordozórakéta projektjét. És ismét a projekten dolgoztak a V. P. Makeev akadémikusról elnevezett State Rocket Centerben. Az újrafelhasználható orosz rakéta projektjének gyönyörű neve "Crown". A Roscosmos 2017-ben emlékezett erre a projektre, majd különféle megjegyzések érkeztek a projekt folytatásáról. Például 2018 januárjában a Rossiyskaya Gazeta megjelent a hírek hogy Oroszország újrakezdte a munkát egy újrafelhasználható űrrakétán. Csak a "Crown" hordozórakétáról volt szó.
Az amerikai Falcon-9 rakétával ellentétben az orosz "Korona" nem rendelkezik leválasztható fokozatokkal, valójában egyetlen lágy fel- és leszálló űrhajó. Vladimir Degtyar, a Makeev Állami Űrközpont általános tervezője szerint ennek a projektnek meg kell nyitnia az utat a hosszú távú bolygóközi, emberes repülések megvalósításához. A tervek szerint szénszál lesz az új orosz rakéta fő szerkezeti anyaga. A Koronát ugyanakkor arra tervezték, hogy űrhajókat indítson alacsony földi pályára, 200-500 kilométeres magasságban. A hordozórakéta indító tömege körülbelül 300 tonna. A kimenő hasznos teher tömege 7-12 tonna. A "Crown" felszállását és leszállását egyszerűsített indítóberendezések segítségével kell végrehajtani, emellett kidolgozás alatt áll egy újrafelhasználható rakéta offshore platformokról történő kilövésének lehetősége is. Fel- és leszálláshoz az új hordozórakéta ugyanazt a helyszínt használhatja majd. A rakéta következő kilövésre való felkészülési ideje mindössze egy nap.
Megjegyzendő, hogy az egyfokozatú és újrafelhasználható rakéták létrehozásához szükséges szénszálas anyagokat az 90-es évek óta használják az űrtechnológiában. Az 1990-es évek eleje óta a Corona projekt hosszú utat tett meg a fejlődésben, és jelentősen fejlődött, mondanom sem kell, hogy eredetileg egy eldobható rakéta volt. Ugyanakkor az evolúció folyamatában a leendő rakéta tervezése egyszerűbbé és tökéletesebbé vált. Fokozatosan a rakéta fejlesztői felhagytak a szárnyak és a külső üzemanyagtartályok használatával, és arra jutottak, hogy az újrafelhasználható rakéta testének fő anyaga a szénszál.
A Korona újrafelhasználható rakéta legújabb verziójában tömege megközelíti a 280-290 tonnát. Egy ilyen nagy, egyfokozatú hordozórakétához rendkívül hatékony folyékony hajtóanyagú rakétamotorra van szükség, amely hidrogénnel és oxigénnel működik. Ellentétben a külön lépcsőkre szerelt rakétahajtóművekkel, az ilyen folyékony hajtóanyagú rakétamotoroknak különféle körülmények között és különböző magasságokban hatékonyan kell működniük, beleértve a felszállást és a Föld légkörén kívüli repülést is. „Egy közönséges folyékony hajtóanyagú rakétamotor Laval fúvókákkal csak bizonyos magassági tartományokban hatékony” – mondják a Makeev tervezői – „ezért jutottunk el oda, hogy éklevegős folyékony motort kell használni egy rakétán.” Az ilyen rakétahajtóművekben lévő gázsugár maga is alkalmazkodik a „bordán túli” nyomáshoz, ráadásul mind a Föld felszínén, mind a sztratoszférában meglehetősen magasan megőrzik hatékonyságukat.
A világon azonban eddig egyszerűen nem létezik ilyen típusú működő motor, bár a Szovjetunióban és az USA-ban aktívan fejlesztették őket. Szakértők úgy vélik, hogy a Korona újrafelhasználható hordozórakétát a motor moduláris változatával kell felszerelni, amelyben az ék-levegő fúvóka az egyetlen olyan elem, amely jelenleg nem rendelkezik prototípussal, és a gyakorlatban sem tesztelték. Ugyanakkor Oroszországnak megvannak a maga technológiái a modern kompozit anyagok és a belőlük készült alkatrészek előállításában. Fejlesztésüket és alkalmazásukat meglehetősen sikeresen végzik, például a JSC "Composite" és az Összoroszországi Intézetben repülés anyagok (VIAM).
A Föld légkörében való biztonságos repülés érdekében a Korona szénszálas teherhordó szerkezetét hővédő csempe védi, amelyet korábban a VIAM-nál fejlesztettek ki a Buran űrrepülőgéphez, és azóta jelentős fejlődési utat jártak be. „A Korona fő hőterhelése az orrára összpontosul, ahol magas hőmérsékletű hővédő elemeket használnak” – jegyzik meg a tervezők. - Ugyanakkor a hordozórakéta táguló oldalai nagyobb átmérőjűek, és hegyesszögben helyezkednek el a légáramlással szemben. Ezeknek az elemeknek a hőmérsékleti terhelése kisebb, és ez viszont lehetővé teszi, hogy könnyebb anyagokat használjunk. Az eredmény körülbelül 1,5 tonna súlymegtakarítás. A rakéta magas hőmérsékletű részének tömege nem haladja meg a Korona hővédelmének teljes tömegének 6 százalékát. Összehasonlításképpen, a "Shuttle" űrsikló több mint 20 százalékot tett ki.
Az újrafelhasználható rakéta kecses kúpos formája sok próbálkozás és hiba eredménye volt. A fejlesztők elmondása szerint, miközben a projekten dolgoztak, több száz különböző lehetőséget mérlegeltek és értékeltek. „Úgy döntöttünk, hogy teljesen elhagyjuk a szárnyakat, mint például az Space Shuttle vagy a Buran hajó szárnyait” – mondják a fejlesztők. - Általában, amikor az űrhajók a felső légkörben vannak, a szárnyak csak zavarják. Az ilyen űrhajók hiperszonikus sebességgel lépnek be a légkörbe nem jobban, mint egy "vas", és csak szuperszonikus sebességgel kapcsolnak át vízszintes repülésre, ami után teljes mértékben támaszkodhatnak a szárnyak aerodinamikájára.
A rakéta kúp alakú tengelyszimmetrikus alakja nemcsak a hővédelem megkönnyítését teszi lehetővé, hanem a jó aerodinamikai tulajdonságok biztosítását is nagy repülési sebességgel haladva. Már a felső légkörben a "Crown" emelést kap, ami lehetővé teszi, hogy a rakéta ne csak lelassuljon, hanem manőverezni is. Ez lehetővé teszi, hogy a hordozórakéta nagy magasságban manőverezzen, miközben a leszállóhelyre repül, a jövőben már csak a fékezési folyamat befejezése, irányának korrigálása, a tat lehajtása és a Földre való leszállás marad.
A projekt problémája az, hogy a "Koronát" még mindig fejlesztik elégtelen finanszírozás vagy annak teljes hiánya miatt. Jelenleg a Makeev SRC-nek csak egy előzetes tervet sikerült elkészítenie ebben a témában. A 2018. évi XLII. Akadémiai Kozmonautikai Előadások alkalmával közölt adatok szerint a Korona hordozórakéta létrehozására irányuló projektről megvalósíthatósági tanulmányok készültek, és elkészült a rakéta fejlesztésének hatékony ütemterve. Megvizsgálják az új hordozórakéta létrehozásához szükséges feltételeket, és elemzik egy új rakéta fejlesztési folyamatának és jövőbeni működésének kilátásait és eredményeit.
A Corona projektről szóló 2017-es és 2018-as hírrobbanás után ismét csend következik... A projekt és megvalósításának kilátásai még mindig homályosak. Eközben a SpaceX 2019 nyarán bemutatja új, újrafelhasználható Big Falcon Rocket (BFR) tesztmintáját. A tesztminta megalkotásától a teljes értékű rakétáig, amely megerősíti a megbízhatóságát és teljesítményét, még sok évbe telhet, de egyelőre kijelenthető: Elon Musk és cége olyan dolgokat csinál, ami látható és kézzel tapintott. Ugyanakkor Dmitrij Medvegyev miniszterelnök szerint a Roszkoszmosznak fel kellene hagynia a vetítéssel, és arról kellene csevegnie, hogy merre repülünk a jövőben. Kevesebb a mondanivaló és több a tennivaló.
Információforrások:
https://iz.ru
https://www.popmech.ru
http://www.spacephys.ru
https://vpk.name
https://rg.ru
Nyílt forrásból származó anyagok
Információk