החלל הרוסי

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

מאמינים שטכנולוגיות תמיד מתפתחות בהדרגה, מפשוט למורכב, מסכין אבן לפלדה - ורק אז למכונת כרסום מתוכנתת. עם זאת, התברר שהגורל של טילי החלל לא כל כך פשוט. יצירת טילים חד-שלביים פשוטים ואמינים במשך זמן רב נותרה בלתי נגישה למעצבים.

נדרשו פתרונות שלא מדעני חומר ולא מהנדסי מנועים יכלו להציע. עד כה, רכבי השיגור נותרו רב-שלביים וחד פעמיים: מערכת מורכבת ויקרה להפליא משמשת לכמה דקות ואז נזרקת לפח.

"תאר לעצמך שלפני כל טיסה היית מרכיב מטוס חדש: היית מחבר את גוף המטוס לכנפיים, מניח כבלים חשמליים, מתקין את המנועים, ואחרי הנחיתה היית שולח אותו למגרש גרוטאות… אתה לא יכול לטוס כל כך רחוק," אמרו לנו מפתחי מרכז הטילים הממלכתי. מקיבה. "אבל זה בדיוק מה שאנחנו עושים בכל פעם שאנחנו שולחים מטען למסלול. כמובן, באופן אידיאלי כל אחד היה רוצה לקבל "מכונה" חד-שלבית אמינה שאינה דורשת הרכבה, אלא מגיעה לקוסמודרום, מתודלקת ומשיקה. ואז זה חוזר ומתחיל שוב - ושוב "…

בחצי הדרך

בגדול, Rocketry ניסתה להסתדר עם שלב אחד מהפרויקטים המוקדמים ביותר. בסקיצות הראשוניות של ציולקובסקי, בדיוק מבנים כאלה מופיעים. הוא נטש את הרעיון הזה רק מאוחר יותר, כשהבין שהטכנולוגיות של תחילת המאה העשרים לא אפשרו לממש את הפתרון הפשוט והאלגנטי הזה. ההתעניינות במובילים חד-שלביים התעוררה שוב בשנות ה-60, ופרויקטים כאלה נעשו משני צדי האוקיינוס. עד שנות ה-70, ארה ב עבדה על רקטות חד-שלביות SASSTO, פיניקס ועוד כמה פתרונות המבוססים על ה-S-IVB, השלב השלישי של רכב השיגור שבתאי V, שהעביר אסטרונאוטים לירח.

CORONA חייבת להפוך לרובוטית ולקבל תוכנה חכמה למערכת הבקרה. התוכנה תוכל להתעדכן ישירות בטיסה, ובמצב חירום "תחזור" אוטומטית לגרסת הגיבוי היציבה.

"אופציה כזו לא תהיה שונה ביכולת הנשיאה, המנועים לא היו טובים מספיק בשביל זה, אבל זה עדיין יהיה שלב אחד, די מסוגל לטוס למסלול", ממשיכים המהנדסים. "כמובן שמבחינה כלכלית זה יהיה לגמרי לא מוצדק". מרוכבים וטכנולוגיות לעבודה איתם הופיעו רק בעשורים האחרונים, המאפשרים להפוך את המנשא לחד-שלבי ויותר מכך לשימוש חוזר. העלות של רקטה "עתירת מדע" כזו תהיה גבוהה מזו של עיצוב מסורתי, אך היא "תתפרס" על פני שיגורים רבים, כך שמחיר השיגור יהיה נמוך משמעותית מהרמה הרגילה.

שימוש חוזר במדיה הוא המטרה העיקרית של מפתחים כיום. מערכות מעבורת החלל ואנרג'יה-בורן היו ניתנות לשימוש חוזר חלקי. השימוש החוזר בשלב הראשון נבדק עבור רקטות SpaceX Falcon 9. SpaceX כבר ביצעו כמה נחיתות מוצלחות, ובסוף מרץ ינסו לשגר שוב את אחד השלבים שטסו לחלל. "לדעתנו, גישה זו יכולה רק להכפיש את הרעיון של יצירת מדיה אמיתית לשימוש חוזר", מציינת לשכת העיצוב Makeev. "עדיין צריך לסדר רקטה כזו אחרי כל טיסה, להתקין חיבורים ורכיבים חד פעמיים… וחזרנו למקום שהתחלנו".

מדיה ניתנת לשימוש חוזר לחלוטין עדיין בצורת פרויקטים בלבד - למעט New Shepard של חברת Blue Origin האמריקאית.עד כה, הרקטה עם קפסולה מאוישת מיועדת רק לטיסות תת-מסלוליות של תיירי חלל, אך ניתן להתאים בקלות את רוב הפתרונות שנמצאו במקרה זה עבור נושאת מסלול רצינית יותר. נציגי החברה אינם מסתירים את תוכניותיהם ליצור אופציה כזו, שעבורה כבר מפתחים מנועים חזקים BE-3 ו-BE-4. "בכל טיסה תת-מסלולית, אנחנו מתקרבים למסלול", הבטיח Blue Origin. אבל גם הספק המבטיח שלהם, ניו גלן, לא יהיה בר שימוש חוזר במלואו: יש לעשות שימוש חוזר רק בבלוק הראשון, שנוצר על בסיס עיצוב ה-New Shepard שנבדק כבר.

עמידות החומר

חומרי ה-CFRP הנדרשים לשימוש חוזר מלא ורקטות חד-שלביות שימשו בטכנולוגיית התעופה והחלל מאז שנות ה-90. באותן שנים, מהנדסים במקדונל דאגלס החלו ליישם במהירות את פרויקט Delta Clipper (DC-X) והיום בהחלט יכלו להתפאר במוביל סיבי פחמן מוכן ומעופף. לרוע המזל, בלחץ לוקהיד מרטין, העבודה על DC-X הופסקה, הטכנולוגיות הועברו לנאס א, שם ניסו להשתמש בהן לפרויקט VentureStar הלא מוצלח, שלאחריו מהנדסים רבים שעוסקים בנושא זה הלכו לעבוד ב-Blue Origin, והחברה עצמה נלקחה לידי בואינג.

באותן שנות ה-90, ה-SRC Makeev הרוסי החל להתעניין במשימה זו. במהלך השנים שחלפו מאז, פרויקט KORONA ("טיל חלל, כלי רכב חד-שלביים [של חלל]") עבר אבולוציה ניכרת, וגרסאות הביניים מראות כיצד העיצוב והפריסה הפכו לפשוטים ומושלמים יותר ויותר. בהדרגה נטשו היזמים אלמנטים מורכבים - כמו כנפיים או מיכלי דלק חיצוניים - והגיעו להבנה שחומר הגוף העיקרי צריך להיות סיבי פחמן. יחד עם המראה, השתנו גם המשקל וגם כושר הנשיאה. "עם שימוש אפילו בחומרים המודרניים הטובים ביותר, אי אפשר לבנות רקטה חד-שלבית במשקל של פחות מ-60-70 טון, בעוד המטען שלה יהיה קטן מאוד", אומר אחד המפתחים. - אבל ככל שהמסה ההתחלתית גדלה, המבנה (עד גבול מסוים) מהווה נתח קטן מתמיד, ונעשה יותר ויותר משתלם להשתמש בו. עבור רקטה מסלולית, האופטימום הזה הוא כ-160-170 טון, החל מקנה מידה זה כבר ניתן להצדיק את השימוש בו".

בגרסה העדכנית ביותר של פרויקט KORONA מסת השיגור אף גבוהה יותר ומתקרבת ל-300 טון רקטה חד-שלבית כה גדולה מצריכה שימוש במנוע סילון בעל הנעה נוזלית יעיל ביותר הפועל על מימן וחמצן. בניגוד למנועים על שלבים נפרדים, מנוע רקטי מסוג הנעה נוזלי כזה חייב "להיות מסוגל" לפעול בתנאים שונים מאוד ובגבהים שונים, כולל המראה וטיסה מחוץ לאטמוספירה. "מנוע קונבנציונלי להנעה נוזלית עם חרירי Laval יעיל רק בטווחי גבהים מסוימים", מסבירים מתכנני מאקייבקה, "לכן הגענו לצורך להשתמש במנוע טילי טילי אוויר". סילון הגז במנועים כאלה מסתגל אוטומטית ללחץ "מעל הסיפון", והם נשארים יעילים גם על פני השטח וגם גבוה בסטרטוספירה.

מיכל מטען

עד כה אין מנוע עובד מסוג זה בעולם, למרות שהם טופלו ומטופלים גם בארצנו וגם בארה ב. בשנות ה-60, מהנדסי רוקטדיין בדקו מנועים כאלה על מעמד, אך הם לא הגיעו להתקנה על טילים. יש להצטייד ב-CROWN בגרסה מודולרית, שבה פיית הטריז-אוויר היא האלמנט היחיד שעדיין אין לו אב טיפוס ולא נבדק. יש גם את כל הטכנולוגיות לייצור חלקים מרוכבים ברוסיה - הם פותחו ומשמשים בהצלחה, למשל, במכון הכל-רוסי לחומרי תעופה (VIAM) וב-JSC Kompozit.

התאמה אנכית

בעת טיסה באטמוספירה, המבנה הנושא סיבי פחמן KORONA יהיה מכוסה באריחים מגני חום שפותחו על ידי VIAM עבור הבורנים ומאז שופרו באופן ניכר."עומס החום העיקרי על הרקטה שלנו מרוכז באף" שלו, שבו משתמשים ברכיבי הגנה תרמית בטמפרטורה גבוהה, - מסבירים המעצבים. - במקרה זה, הצדדים המתרחבים של הרקטה הם בעלי קוטר גדול יותר והם נמצאים בזווית חדה לזרימת האוויר. העומס התרמי עליהם קטן יותר, מה שמאפשר שימוש בחומרים קלים יותר. כתוצאה מכך חסכנו יותר מ-1.5 טון המסה של החלק בטמפרטורה גבוהה אינה עולה על 6% מסך המסה של ההגנה התרמית. לשם השוואה, בהסעות זה מהווה יותר מ-20%".

העיצוב המחודד והחלק של המדיה הוא תוצאה של אינספור ניסוי וטעייה. לדברי המפתחים, אם תיקחו רק את המאפיינים המרכזיים של מנשא חד-שלבי אפשרי לשימוש חוזר, תצטרכו לשקול כ-16,000 שילובים שלהם. מאות מהם זכו להערכה של המעצבים בזמן העבודה על הפרויקט. "החלטנו לנטוש את הכנפיים, כמו על הבוראן או מעבורת החלל", הם אומרים. - בגדול, באטמוספירה העליונה הם רק מפריעים לחללית. ספינות כאלה נכנסות לאטמוספירה במהירות היפרסונית לא טובה יותר מ"ברזל", ורק במהירות על-קולית הן עוברות לטיסה אופקית ויכולות להסתמך כראוי על האווירודינמיקה של הכנפיים".

צורת החרוט הצירית לא רק מאפשרת הגנה תרמית קלה יותר, אלא גם בעלת אווירודינמיקה טובה בנסיעה במהירויות גבוהות מאוד. כבר בשכבות העליונות של האטמוספירה הרקטה זוכה לעילוי, המאפשר לה לא רק לבלום כאן, אלא גם לתמרן. זה, בתורו, מאפשר לבצע את התמרונים הנדרשים בגובה רב, לכיוון אתר הנחיתה, ובטיסה עתידית, יהיה צורך רק להשלים את הבלימה, לתקן את המסלול ולפנות אחורה למטה, תוך שימוש ב-shunting חלש. מנועים.

נזכיר גם ב-Falcon 9 וגם ב-New Shepard: אין דבר בלתי אפשרי או אפילו יוצא דופן בנחיתה אנכית כיום. יחד עם זאת, היא מאפשרת להסתדר עם פחות כוחות באופן משמעותי במהלך בניית ותפעול המסלול - המסלול עליו נחתו אותם שאטלים ובוראן היה צריך להיות באורך של מספר קילומטרים על מנת לבלום את הרכב בשעה מהירות של מאות קילומטרים לשעה. "CROWN, באופן עקרוני, יכול אפילו להמריא מפלטפורמה ימית ולנחות עליה", מוסיף אחד ממחברי הפרויקט, "דיוק הנחיתה הסופי יהיה כ-10 מ', הרקטה מונמכת על בולמי זעזועים פנאומטיים נשלפים. כל שנותר הוא לבצע דיאגנוסטיקה, לתדלק, להציב מטען חדש - ותוכלו שוב לטוס.

KORONA עדיין מיושמת בהיעדר מימון, כך שמפתחי לשכת העיצוב Makeev הצליחו להגיע רק לשלבים האחרונים של טיוטת התכנון. "עברנו את השלב הזה כמעט לחלוטין ובאופן עצמאי לחלוטין, ללא תמיכה חיצונית. כבר עשינו כל מה שאפשר היה לעשות, - אומרים המעצבים. - אנחנו יודעים מה, איפה ומתי צריך לייצר. עכשיו צריך לעבור לתכנון, ייצור ופיתוח מעשי של יחידות מפתח, וזה דורש כסף, אז עכשיו הכל תלוי בהם".

התחלה מאוחרת

רקטת ה-CFRP מצפה לשיגור בקנה מידה גדול בלבד; עם קבלת התמיכה הדרושה, המתכננים מוכנים להתחיל בניסויי טיסה בעוד שש שנים, ובעוד שבע עד שמונה שנים - להתחיל בפעילות נסיונית של הטילים הראשונים. הם מעריכים שזה דורש פחות מ-2 מיליארד דולר - לא הרבה בסטנדרטים של מדעי הטילים. יחד עם זאת, ניתן לצפות להחזר על ההשקעה לאחר שבע שנות שימוש ברקטה, אם מספר השיגורים המסחריים יישאר ברמה הנוכחית, או אפילו בעוד 1.5 שנים - אם יגדל בשיעורים החזויים.

יתרה מכך, נוכחותם של מנועי תמרון, מפגשים והתקני עגינה על הרקטה מאפשרת לסמוך על תוכניות שיגור מורכבות מרובות שיגורים. על ידי הוצאת דלק לא על נחיתה, אלא על הוספת המטען, אתה יכול להביא אותו למסה של יותר מ-11 טון.לאחר מכן, ה-CROWN יעגן עם השני, "טנקר", אשר ימלא את מיכליו בדלק נוסף הדרוש להחזרה. אבל בכל זאת, הרבה יותר חשובה היא השימוש החוזר, שלראשונה יפטור אותנו מהצורך לאסוף את המדיה לפני כל השקה – ולאבד אותה אחרי כל השקה. רק גישה כזו יכולה להבטיח יצירת זרימת תנועה דו-כיוונית יציבה בין כדור הארץ למסלול, ובמקביל את תחילתו של ניצול אמיתי, פעיל, בקנה מידה גדול של מרחב קרוב לכדור הארץ.

בינתיים, ה-CROWN נשאר בלימבו, העבודה על ניו שפרד נמשכת. גם פרויקט יפני דומה RVT מתפתח. למפתחים רוסים אולי פשוט אין מספיק תמיכה לפריצת הדרך. אם יש לך כמה מיליארדים לפנות, זו השקעה הרבה יותר טובה מאשר אפילו היאכטה הגדולה והמפוארת בעולם.