Uważa się, że technologie zawsze rozwijają się stopniowo, od prostych do skomplikowanych, od kamiennego noża do stali - a dopiero potem do zaprogramowanej frezarki. Jednak los rakiety kosmicznej okazał się mniej prosty. Stworzenie prostych, niezawodnych pocisków jednostopniowych przez długi czas było niedostępne dla projektantów. Potrzebne były rozwiązania, których nie mogli zaoferować ani materiałoznawcy, ani inżynierowie. Do tej pory pojazdy nośne pozostają wieloetapowe i jednorazowe: niezwykle złożony i drogi system jest używany przez kilka minut, po czym jest wyrzucany
„Wyobraź sobie, że przed każdym lotem składałbyś nowy samolot: łączyłbyś kadłub ze skrzydłami, układał kable elektryczne, instalował silniki, a po wylądowaniu wysyłałbyś go na wysypisko… Daleko nie polecisz jak to”, powiedzieli nam twórcy Państwowego Centrum Rakietowego. Makeewa. - Ale to właśnie robimy za każdym razem, gdy wysyłamy ładunek na orbitę. Oczywiście idealnie każdy chciałby mieć niezawodną jednostopniową „maszynę”, która nie wymaga montażu, ale przyjeżdża na kosmodrom, zatankowana i wystrzelona. A potem wraca i zaczyna się od nowa - i od nowa …
W połowie drogi
Ogólnie rzecz biorąc, rakiety starały się radzić sobie z jednym etapem od najwcześniejszych projektów. W początkowych szkicach Cielkowskiego pojawiają się właśnie takie struktury. Porzucił ten pomysł dopiero później, zdając sobie sprawę, że technologie początku XX wieku nie pozwalają na realizację tego prostego i eleganckiego rozwiązania. Zainteresowanie jednostopniowymi statkami ponownie wzrosło w latach 60., a takie projekty powstawały po obu stronach oceanu. W latach 70. Stany Zjednoczone pracowały nad jednostopniowymi rakietami SASSTO, Phoenix i kilkoma rozwiązaniami opartymi na S-IVB, trzecim etapie rakiety nośnej Saturn V, która dostarczała astronautów na Księżyc.
„Taka opcja nie różniłaby się nośnością, silniki nie były do tego wystarczająco dobre – ale nadal byłby to jeden etap, całkiem zdolny do lotu na orbitę” – kontynuują inżynierowie. „Oczywiście ekonomicznie byłoby to całkowicie nieuzasadnione”. Dopiero w ostatnich dziesięcioleciach pojawiły się kompozyty i technologie do pracy z nimi, które umożliwiają wykonanie nośnika jednoetapowego, a ponadto wielokrotnego użytku. Koszt takiej „naukowej” rakiety będzie wyższy niż w przypadku tradycyjnej konstrukcji, ale będzie „rozłożony” na wiele startów, dzięki czemu cena startu będzie znacznie niższa niż zwykle.
To właśnie ponowne wykorzystanie mediów jest dziś głównym celem programistów. Systemy promu kosmicznego i Energia-Buran były częściowo wielokrotnego użytku. Wielokrotne użycie pierwszego stopnia jest testowane dla rakiet SpaceX Falcon 9. SpaceX wykonało już kilka udanych lądowań, a pod koniec marca spróbuje wystrzelić jeden z etapów, który ponownie poleciał w kosmos. „Naszym zdaniem takie podejście może jedynie zdyskredytować ideę stworzenia prawdziwego nośnika wielokrotnego użytku”, zauważa Biuro Projektowe Makeev. „Po każdym locie trzeba jeszcze uporządkować taką rakietę, zainstalować połączenia i nowe elementy jednorazowego użytku… i wracamy do miejsca, w którym zaczęliśmy”.
Nośniki w pełni wielokrotnego użytku są nadal tylko w formie projektów – z wyjątkiem New Shepard amerykańskiej firmy Blue Origin. Póki co rakieta z załogową kapsułą jest przeznaczona tylko do lotów suborbitalnych kosmicznych turystów, ale większość rozwiązań znalezionych w tym przypadku można łatwo przeskalować na poważniejszy orbital. Przedstawiciele firmy nie ukrywają planów stworzenia takiej opcji, dla której opracowywane są już potężne silniki BE-3 i BE-4. „Z każdym lotem suborbitalnym zbliżamy się do orbity” – zapewnił Blue Origin. Ale ich obiecujący nośnik New Glenn również nie będzie w pełni wielokrotnego użytku: tylko pierwszy blok, stworzony na podstawie przetestowanego już projektu New Shepard, powinien zostać ponownie wykorzystany.
Odporność materiału
Materiały CFRP wymagane do w pełni wielokrotnego użytku i jednostopniowych rakiet są stosowane w technologii lotniczej od lat 90. XX wieku. W tych samych latach inżynierowie z McDonnell Douglas szybko przystąpili do realizacji projektu Delta Clipper (DC-X), a dziś mogli pochwalić się gotowym i latającym bagażnikiem z włókna węglowego. Niestety pod naciskiem Lockheed Martin prace nad DC-X przerwano, technologie przekazano do NASA, gdzie próbowano je wykorzystać w nieudanym projekcie VentureStar, po czym wielu inżynierów zajmujących się tym tematem przeszło do pracy w Blue Origin, a samą firmę przejął Boeing.
W tych samych latach 90. tym zadaniem zainteresował się rosyjski SRC Makeev. Od tego czasu projekt KORONA („Rakieta kosmiczna, jednostopniowy nośnik pojazdów [kosmicznych]”) przeszedł zauważalną ewolucję, a wersje pośrednie pokazują, jak projekt i układ stawały się coraz prostsze i doskonalsze. Stopniowo twórcy porzucili skomplikowane elementy – takie jak skrzydła czy zewnętrzne zbiorniki paliwa – i doszli do zrozumienia, że głównym materiałem korpusu powinno być włókno węglowe. Wraz z wyglądem zmieniała się zarówno waga, jak i nośność. „Przy użyciu nawet najlepszych nowoczesnych materiałów nie da się zbudować jednostopniowej rakiety ważącej mniej niż 60-70 ton, a jej ładowność będzie bardzo mała” – mówi jeden z deweloperów. - Ale wraz ze wzrostem masy startowej struktura (do pewnego limitu) ma coraz mniejszy udział i coraz bardziej opłaca się z niej korzystać. W przypadku rakiety orbitalnej to optimum wynosi około 160-170 ton, począwszy od tej skali jego użycie może być już uzasadnione.”
W najnowszej wersji projektu KORONA masa startowa jest jeszcze większa i zbliża się do 300 t. Tak duża rakieta jednostopniowa wymaga zastosowania wysokowydajnego silnika odrzutowego na paliwo ciekłe, działającego na wodór i tlen. W przeciwieństwie do silników w oddzielnych stopniach, taki silnik rakietowy na paliwo ciekłe musi być zdolny do działania w bardzo różnych warunkach i na różnych wysokościach, w tym startu i lotu poza atmosferą. „Tradycyjny silnik na paliwo ciekłe z dyszami Lavala jest skuteczny tylko w pewnych zakresach wysokości”, wyjaśniają projektanci Makeevka, „dlatego doszliśmy do potrzeby zastosowania silnika rakietowego z klinem powietrznym”. Strumień gazu w takich silnikach dostosowuje się do ciśnienia „za burtą” i utrzymują sprawność zarówno na powierzchni, jak i wysoko w stratosferze.
Do tej pory na świecie nie ma działającego silnika tego typu, chociaż były i są z nimi do czynienia zarówno w naszym kraju, jak i w USA. W latach 60. inżynierowie Rocketdyne testowali takie silniki na stoisku, ale nie doszli do montażu na pociskach. CROWN powinien być wyposażony w wersję modułową, w której dysza klinowo-powietrzna jest jedynym elementem, który nie ma jeszcze prototypu i nie był testowany. W Rosji istnieją również wszystkie technologie produkcji części kompozytowych - zostały opracowane i są z powodzeniem stosowane na przykład w Ogólnorosyjskim Instytucie Materiałów Lotniczych (VIAM) oraz w OJSC „Kompozit”.
Dopasowanie pionowe
Podczas lotu w atmosferze, wzmocniona włóknami węglowymi plastikowa struktura CORONA zostanie pokryta płytkami termoizolacyjnymi opracowanymi przez VIAM dla Buranów i od tego czasu została zauważalnie ulepszona.„Główne obciążenie cieplne naszej rakiety koncentruje się na jej„ nosie”, w którym zastosowano wysokotemperaturowe elementy ochrony termicznej - wyjaśniają projektanci. - W tym przypadku rozszerzające się boki rakiety mają większą średnicę i są ustawione pod ostrym kątem do przepływu powietrza. Obciążenie termiczne na nich jest mniejsze, co pozwala na użycie lżejszych materiałów. Dzięki temu zaoszczędziliśmy ponad 1,5 tony Masa części wysokotemperaturowej nie przekracza 6% całkowitej masy zabezpieczenia termicznego. Dla porównania stanowi ponad 20% wahadłowców.”
Elegancka, zwężająca się konstrukcja nośnika jest wynikiem niezliczonych prób i błędów. Według twórców, jeśli weźmiesz pod uwagę tylko kluczowe cechy możliwego jednoetapowego nośnika wielokrotnego użytku, będziesz musiał wziąć pod uwagę około 16 000 ich kombinacji. Setki z nich zostały docenione przez projektantów podczas pracy nad projektem. „Zdecydowaliśmy się porzucić skrzydła, jak na Buranie czy promie kosmicznym” – mówią. - Ogólnie rzecz biorąc, w wyższych warstwach atmosfery zakłócają one jedynie działanie statku kosmicznego. Takie statki wchodzą w atmosferę z prędkością naddźwiękową nie większą niż „żelazko”, a dopiero przy prędkości naddźwiękowej przechodzą do lotu poziomego i mogą właściwie polegać na aerodynamice skrzydeł”.
Osiowosymetryczny kształt stożka nie tylko pozwala na łatwiejszą ochronę termiczną, ale także zapewnia dobrą aerodynamikę podczas jazdy z bardzo dużymi prędkościami. Już w górnych warstwach atmosfery rakieta zostaje podniesiona, co pozwala jej nie tylko tu hamować, ale także manewrować. To z kolei umożliwia wykonanie niezbędnych manewrów na dużej wysokości, kierując się na miejsce lądowania, a w przyszłym locie pozostaje tylko dokończyć hamowanie, skorygować kurs i skręcić w dół, wykorzystując słabe silniki manewrowe.
Przypomnijmy sobie Falcona 9 i New Shepard: nie ma dziś nic niemożliwego ani nawet niezwykłego w pionowym lądowaniu. Jednocześnie pozwala na pokonanie znacznie mniejszych sił podczas budowy i eksploatacji pasa startowego – pas startowy, na którym lądowały te same Shuttles i Buran musiał mieć długość kilku kilometrów, aby wyhamować pojazd prędkość setek kilometrów na godzinę. „KORONA w zasadzie może nawet wystartować z platformy morskiej i wylądować na niej” – dodaje jeden z autorów projektu – „ostateczna dokładność lądowania wyniesie około 10 m, rakieta jest opuszczana na wysuwane amortyzatory pneumatyczne”. Pozostaje tylko przeprowadzić diagnostykę, zatankować, umieścić nowy ładunek - i znów można latać.
KORONA jest wciąż realizowana z powodu braku funduszy, więc twórcom Biura Projektowego Makeev udało się dotrzeć tylko do końcowych etapów projektu wstępnego. „Przeszliśmy ten etap prawie całkowicie i całkowicie samodzielnie, bez wsparcia z zewnątrz. Zrobiliśmy już wszystko, co można było zrobić - mówią projektanci. - Wiemy co, gdzie i kiedy powinno być produkowane. Teraz musimy przejść do praktycznego projektowania, produkcji i rozwoju kluczowych jednostek, a to wymaga pieniędzy, więc teraz wszystko zależy od nich.”
Opóźniony start
Rakieta CFRP spodziewa się tylko startu na dużą skalę, po otrzymaniu niezbędnego wsparcia projektanci są gotowi do rozpoczęcia prób w locie za sześć lat, a za siedem do ośmiu lat do eksperymentalnej eksploatacji pierwszych pocisków. Szacują, że wymaga to mniej niż 2 miliardów dolarów - niewiele jak na standardy rakietowe. Jednocześnie zwrotu z inwestycji można oczekiwać po siedmiu latach użytkowania rakiety, jeśli liczba komercyjnych startów utrzyma się na obecnym poziomie, a nawet za 1,5 roku – jeśli będzie rosła w przewidywanym tempie.
Co więcej, obecność na rakiecie silników manewrujących, punktów spotkań i dokowania pozwala również liczyć na złożone schematy startu wielokrotnego startu. Po zużyciu paliwa nie do lądowania, ale do wykończenia ładunku, możliwe jest doprowadzenie go do masy ponad 11 ton. Następnie KORONA zadokuje do drugiego „cysterna”, który napełni swoje zbiorniki dodatkowym paliwem niezbędnym do powrotu. Jednak o wiele ważniejsza jest możliwość ponownego wykorzystania, która po raz pierwszy uwolni nas od konieczności zbierania nośnika przed każdym uruchomieniem – i utraty go po każdym uruchomieniu. Tylko takie podejście może zapewnić stworzenie stabilnego ruchu dwukierunkowego między Ziemią a orbitą, a jednocześnie początek rzeczywistej, aktywnej eksploatacji kosmosu na dużą skalę.
W międzyczasie CROWN pozostaje w zawieszeniu, prace nad New Shepard trwają. Rozwija się również podobny japoński projekt RVT. Rosyjscy deweloperzy mogą po prostu nie mieć wystarczającego wsparcia dla przełomu. Jeśli masz kilka miliardów do stracenia, jest to znacznie lepsza inwestycja niż nawet największy i najbardziej luksusowy jacht na świecie.
