Espai rus

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Es creu que les tecnologies sempre es desenvolupen gradualment, de simples a complexes, del ganivet de pedra a l'acer, i només després a una fresadora programada. Tanmateix, el destí dels coets espacials va resultar no tan senzill. La creació de míssils senzills i fiables d'una sola etapa durant molt de temps va romandre inaccessible per als dissenyadors.

Es requerien solucions que ni els científics de materials ni els enginyers de motors podien oferir. Fins ara, els vehicles de llançament segueixen sent multietapa i d'un sol ús: un sistema increïblement complex i car s'utilitza durant uns minuts i després es llença.

“Imagina que abans de cada vol muntaries un nou avió: connectaries el fuselatge a les ales, col·locaries els cables elèctrics, instal·laries els motors i, després d'aterrar, l'enviaries a una ferralla… No pots volar tan lluny.”, ens van dir els desenvolupadors del Centre estatal de míssils. Makeeva. "Però això és exactament el que fem cada vegada que enviem càrrega a l'òrbita. Per descomptat, l'ideal a tothom li agradaria tenir una "màquina" fiable d'una sola etapa que no requereixi muntatge, sinó que arribi al cosmòdrom, carregada de combustible i llançada. I després torna i torna a començar, i una altra vegada "…

A mig camí

En general, els coets van intentar sortir amb una etapa dels primers projectes. En els esbossos inicials de Tsiolkovsky, només apareixen aquestes estructures. Va abandonar aquesta idea només més tard, adonant-se que les tecnologies de principis del segle XX no permetien realitzar aquesta solució senzilla i elegant. L'interès pels transportistes d'una sola etapa va tornar a sorgir a la dècada de 1960, i aquests projectes s'estaven desenvolupant a banda i banda de l'oceà. A la dècada de 1970, els Estats Units treballaven en coets d'una sola etapa SASSTO, Phoenix i diverses solucions basades en el S-IVB, la tercera etapa del vehicle de llançament Saturn V, que va lliurar astronautes a la Lluna.

CORONA ha de ser robòtica i rebre programari intel·ligent per al sistema de control. El programari es podrà actualitzar directament durant el vol i, en una situació d'emergència, "retornarà" automàticament a la versió estable de còpia de seguretat.

"Aquesta opció no diferiria en capacitat de càrrega, els motors no eren prou bons per a això, però encara seria una etapa, bastant capaç de volar en òrbita", continuen els enginyers. "Per descomptat, econòmicament seria totalment injustificat". Els compostos i les tecnologies per treballar amb ells només han aparegut en les últimes dècades, cosa que permet fer que el suport sigui d'una sola etapa i, a més, reutilitzable. El cost d'un coet "intensiu en ciència" serà més gran que el d'un disseny tradicional, però s'estendrà en molts llançaments, de manera que el preu de llançament serà significativament inferior al nivell habitual.

La reutilització dels mitjans és l'objectiu principal dels desenvolupadors d'avui. Els sistemes transbordador espacial i Energia-Buran eren parcialment reutilitzables. S'està provant l'ús repetit de la primera etapa per als coets SpaceX Falcon 9. SpaceX ja ha realitzat diversos aterratges amb èxit, i a finals de març intentaran llançar de nou una de les etapes que va volar a l'espai. "En la nostra opinió, aquest enfocament només pot desacreditar la idea de crear un veritable suport reutilitzable", assenyala el Makeev Design Bureau. "Encara heu de resoldre aquest coet després de cada vol, instal·lar connexions i nous components d'un sol ús… i tornem a on vam començar".

Els suports totalment reutilitzables encara són només en forma de projectes, amb l'excepció de New Shepard de l'empresa nord-americana Blue Origin. Fins ara, el coet amb una càpsula tripulada està dissenyat només per a vols suborbitals de turistes espacials, però la majoria de les solucions que es troben en aquest cas es poden escalar fàcilment per a un transportista orbital més seriós. Els representants de la companyia no amaguen els seus plans per crear aquesta opció, per a la qual ja s'estan desenvolupant potents motors BE-3 i BE-4. "Amb cada vol suborbital, ens apropem a l'òrbita", va assegurar Blue Origin. Però el seu prometedor transportista, New Glenn, tampoc serà totalment reutilitzable: només s'hauria de reutilitzar el primer bloc, creat a partir del disseny de New Shepard ja provat.

Resistència del material

Els materials CFRP necessaris per als coets d'una sola etapa i totalment reutilitzables s'han utilitzat en tecnologia aeroespacial des dels anys noranta. En aquests mateixos anys, els enginyers de McDonnell Douglas van començar ràpidament a implementar el projecte Delta Clipper (DC-X) i avui podrien presumir d'un portador de fibra de carboni volador i preparat. Malauradament, sota la pressió de Lockheed Martin, es va suspendre el treball en DC-X, les tecnologies es van transferir a la NASA, on van intentar utilitzar-les per al projecte infructuós VentureStar, després del qual molts enginyers implicats en aquest tema van anar a treballar a Blue Origin. i la pròpia companyia va ser presa per Boeing.

A la mateixa dècada de 1990, el rus SRC Makeev es va interessar per aquesta tasca. Al llarg dels anys des d'aleshores, el projecte KORONA ("Coet espacial, vehicles portadors [de l'espai] d'una sola etapa") ha experimentat una evolució notable, i les versions intermèdies mostren com el disseny i la disposició es van fer cada cop més senzills i perfectes. A poc a poc, els desenvolupadors van abandonar elements complexos -com ara ales o dipòsits de combustible externs- i van arribar a entendre que el material del cos principal havia de ser fibra de carboni. Juntament amb l'aparença, tant el pes com la capacitat de càrrega van canviar. "Utilitzant fins i tot els millors materials moderns, és impossible construir un coet d'una sola etapa que pesi menys de 60-70 tones, mentre que la seva càrrega útil serà molt petita", diu un dels desenvolupadors. - Però a mesura que la massa inicial creix, l'estructura (fins a un cert límit) representa una part cada cop més petita, i cada cop és més rendible utilitzar-la. Per a un coet orbital, aquest òptim és d'unes 160-170 tones, a partir d'aquesta escala el seu ús ja es pot justificar".

En l'última versió del projecte KORONA, la massa de llançament és encara més gran i s'acosta a les 300 tones. Un coet tan gran d'una sola etapa requereix l'ús d'un motor a reacció de propulsor líquid altament eficient que funciona amb hidrogen i oxigen. A diferència dels motors en etapes separades, aquest motor de coet de propulsor líquid ha de "poder" funcionar en condicions molt diferents i a diferents altituds, incloent l'enlairament i el vol fora de l'atmosfera. "Un motor de propulsor líquid convencional amb broquets Laval només és efectiu a determinats rangs d'altitud", expliquen els dissenyadors de Makeyevka, "per tant, vam arribar a la necessitat d'utilitzar un motor de coet d'aire amb falca". El raig de gas d'aquests motors s'ajusta automàticament a la pressió "per la borda" i segueixen sent eficients tant a la superfície com a l'estratosfera.

Contenidor de càrrega útil

Fins ara, no hi ha cap motor d'aquest tipus en funcionament al món, tot i que s'han tractat i s'estan tractant tant al nostre país com als EUA. A la dècada de 1960, els enginyers de Rocketdyne van provar aquests motors en un suport, però no es van instal·lar en míssils. CROWN hauria d'estar equipat amb una versió modular, en la qual el broquet d'aire de falca és l'únic element que encara no té un prototip i no ha estat provat. També hi ha totes les tecnologies per a la producció de peces compostes a Rússia: s'han desenvolupat i s'utilitzen amb èxit, per exemple, a l'Institut de Materials d'Aviació de tot Rússia (VIAM) i a JSC Kompozit.

Ajust vertical

Quan es vol a l'atmosfera, l'estructura de càrrega de fibra de carboni KORONA estarà coberta amb rajoles de protecció tèrmica desenvolupades per VIAM per als Burans i des de llavors s'han millorat notablement."La principal càrrega de calor del nostre coet es concentra en el seu" nas ", on s'utilitzen elements de protecció tèrmica d'alta temperatura, expliquen els dissenyadors. - En aquest cas, els costats en expansió del coet tenen un diàmetre més gran i estan en un angle agut amb el flux d'aire. La càrrega tèrmica sobre ells és menor, la qual cosa permet l'ús de materials més lleugers. Com a resultat, hem estalviat més d'1,5 tones La massa de la part d'alta temperatura no supera el 6% de la massa total de la protecció tèrmica. Per comparació, als Shuttles representa més del 20%."

L'elegant disseny cònic dels mitjans és el resultat d'innombrables proves i errors. Segons els desenvolupadors, si només agafeu les característiques clau d'un possible suport reutilitzable d'una sola etapa, haureu de considerar unes 16.000 combinacions d'elles. Centenars d'ells van ser apreciats pels dissenyadors mentre treballaven en el projecte. "Vam decidir abandonar les ales, com al Buran o al transbordador espacial", diuen. - En general, a l'atmosfera superior, només interfereixen amb les naus espacials. Aquests vaixells entren a l'atmosfera a una velocitat hipersònica no millor que un "ferro", i només a velocitat supersònica canvien al vol horitzontal i poden confiar correctament en l'aerodinàmica de les ales ".

La forma del con axisimètric no només permet una protecció tèrmica més fàcil, sinó que també té una bona aerodinàmica quan es condueix a velocitats molt altes. Ja a les capes superiors de l'atmosfera, el coet rep un ascensor, que li permet no només frenar aquí, sinó també maniobrar. Això, al seu torn, permet fer les maniobres necessàries a gran alçada, en direcció al lloc d'aterratge, i en el futur vol, només caldrà completar la frenada, corregir el rumb i girar a popa cap avall, utilitzant maniobres febles. motors.

Recordeu tant el Falcon 9 com el New Shepard: no hi ha res impossible ni tan sols inusual en l'aterratge vertical avui. Al mateix temps, permet superar-se amb força menys durant la construcció i l'explotació de la pista: la pista on van aterrar els mateixos Shuttles i Buran havia de tenir una longitud de diversos quilòmetres per poder frenar el vehicle a les hores. una velocitat de centenars de quilòmetres per hora. "CROWN, en principi, fins i tot pot enlairar-se d'una plataforma alta mar i aterrar sobre ella", afegeix un dels autors del projecte, "la precisió final d'aterratge serà d'uns 10 m, el coet es baixa sobre amortidors pneumàtics retràctils. Només queda fer diagnòstics, repostar, col·locar una nova càrrega útil, i ja pots tornar a volar.

KORONA encara s'està implementant en absència de finançament, de manera que els desenvolupadors del Makeev Design Bureau van aconseguir arribar només a les etapes finals de l'esborrany de disseny. “Hem superat aquesta etapa gairebé totalment i totalment independentment, sense suport extern. Ja hem fet tot el que es podria haver fet, diuen els dissenyadors. - Sabem què, on i quan s'ha de produir. Ara hem de passar al disseny pràctic, la producció i el desenvolupament d'unitats clau, i això requereix diners, així que ara tot depèn d'ells.

Inici retardat

El coet CFRP només espera un llançament a gran escala; un cop rebut el suport necessari, els dissenyadors estan preparats per començar les proves de vol d'aquí a sis anys i d'aquí a set a vuit anys, per començar l'operació experimental dels primers míssils. Estimen que això requereix menys de 2.000 milions de dòlars, no gaire segons els estàndards de la ciència de coets. Al mateix temps, es pot esperar un retorn de la inversió després de set anys d'utilitzar el coet, si el nombre de llançaments comercials es manté al nivell actual, o fins i tot en 1,5 anys, si creix als ritmes previstos.

A més, la presència de motors de maniobra, dispositius de trobada i acoblament al coet permet comptar amb complexos esquemes de llançament de múltiples llançaments. En gastar combustible no en l'aterratge, sinó en afegir la càrrega útil, podeu portar-lo a una massa de més d'11 tones. Aleshores, el CROWN atracarà amb el segon, "cisterna", que omplirà els seus dipòsits amb el combustible addicional necessari per al retorn. Però encara, molt més important és la reutilització, que per primera vegada ens alleujarà de la necessitat de recollir els suports abans de cada llançament, i perdre'ls després de cada llançament. Només aquest enfocament pot garantir la creació d'un flux de trànsit estable entre la Terra i l'òrbita i, al mateix temps, l'inici d'una explotació real, activa i a gran escala de l'espai proper a la Terra.

Mentrestant, la CORONA continua en els llimbs, el treball a New Shepard continua. També s'està desenvolupant un projecte japonès similar RVT. És possible que els desenvolupadors russos simplement no tinguin prou suport per a l'avenç. Si teniu un parell de milers de milions de sobra, aquesta és una inversió molt millor que fins i tot el iot més gran i luxós del món.